KR102663685B1 - 파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법 - Google Patents

파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102663685B1
KR102663685B1 KR1020227005106A KR20227005106A KR102663685B1 KR 102663685 B1 KR102663685 B1 KR 102663685B1 KR 1020227005106 A KR1020227005106 A KR 1020227005106A KR 20227005106 A KR20227005106 A KR 20227005106A KR 102663685 B1 KR102663685 B1 KR 102663685B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
type
nanometers
type layer
less
Prior art date
Application number
KR1020227005106A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220031723A (ko
Inventor
드루 더블유. 카드웰
마크 피. 데블린
Original Assignee
에스엘티 테크놀로지스 인코포레이티드
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 에스엘티 테크놀로지스 인코포레이티드 filed Critical 에스엘티 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority to KR1020247014597A priority Critical patent/KR20240065189A/ko
Publication of KR20220031723A publication Critical patent/KR20220031723A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102663685B1 publication Critical patent/KR102663685B1/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
    • H01L31/0248—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
    • H01L31/036—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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • 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
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • 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
    • H01L31/03044—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds comprising a nitride compounds, e.g. GaN
    • 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
    • H01L31/0547—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
    • 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
    • H01L31/06—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 characterised by potential barriers
    • H01L31/068—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 characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0693—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 characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells the devices including, apart from doping material or other impurities, only AIIIBV compounds, e.g. GaAs or InP solar cells
    • 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
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
    • H01L31/1848—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P comprising nitride compounds, e.g. InGaN, InGaAlN
    • 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
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1856—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising nitride compounds, e.g. GaN
    • 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
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1892—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof methods involving the use of temporary, removable substrates

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 개시에 따르면, III족 금속 질화물 및 갈륨계 기판에 기초한 파워 포토다이오드 구조 및 디바이스의 제조 및 응용에 관한 기술이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예는 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, 및 AlInGaN 중 하나 이상을 포함하는 포토다이오드 디바이스를 제조하는 기술, 구조 및 디바이스를 포함한다. 이런 구조 또는 디바이스는 광전자 디바이스, 포토다이오드, 광섬유 파워 수신기 등을 포함하는 다양한 응용에 사용될 수 있다.

Description

파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법
본 개시는 일반적으로 광섬유를 통해서 전력을 전송하기 위한 기술에 관한 것으로, 특히, 극성, 반극성 또는 무극성 물질을 포함하는 벌크 갈륨 및 질소 상에 제조된 고전류 밀도 파워 포토다이오드 구조 및 디바이스를 위한 기술에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 광섬유, 기타 광전자 디바이스, 및 유사 제품을 통해서 광 에너지의 전기 에너지로의 변환을 포함하는 응용에 적용될 수 있다.
전력은 일반적으로 동선과 같은 와이어를 통해 전송된다. 그러나, 이런 와이어는 무겁고, 다루기 힘들며, 고가일 수 있으며, 전송된 전력은 전자기 간섭을 받을 수 있다. 이런 제한 사항의 일부는 광섬유를 통해 전력을 전송함으로써 극복할 수 있지만, 불행히도, 현재의 역량으로는 이런 접근 방식은 아직 상업적으로 실행 가능하지 않다. 게다가, 현재의 접근 방식은 일반적으로 적외선 파장의 광을 포함하며, 이는 주변 환경에서 온도 변화에 대해 더 민감한 것과 같이 가시광보다 확실한 단점을 가진다.
질화 갈륨(GaN)계 광전자 및 전자 디바이스는 상업적으로 매우 중요하다. 이들 디바이스 중 가장 개발된 디바이스는 LED(light emitting diode) 및 레이저 다이오드를 포함하며, GaN계 파워 다이오드 및 트랜지스터는 점점 중요해지고 있다. 또한 새로운 응용에 관심이 있다. De Santi와 공동 저자들의 [Materials 11, 153 (2018)]에는, 전력이 레이저 다이오드를 이용하여 광 파워로 변환되고, 광 파워는 광섬유에 연결되어 원격 위치로 전송되며, 그 다음에 광 파워가 포토 다이오드를 이용하여 전력으로 다시 변환되는 응용이 기술되었다. 레이저 다이오드 및 포토다이오드는 모두 GOS(GaN-on-sapphire) 디바이스를 기반으로 하고 있으며, 그 시스템 성능은 비교적 나쁘다. 포토다이오드는 보고된 효율이 17%로 특히 문제였다. 또한 GaN계 솔라셀은 일반적으로 저전력(대략 하나의 태양) 응용을 위해 GOS 구조를 이용하는 다수의 그룹에 의해 보고되었다. 기타 물질 시스템에 대해 종래에 잘 알려진 집광기 솔라셀 구조조차도, 본 발명의 주된 초점인 전류 밀도보다 실질적으로 낮은 전류 밀도를 생성할 수 있을 뿐이다.
레이저 다이오드의 경우, 결함 밀도가 크게 감소하고 수년간 최적화 및 개선을 거친 GaN-on-GaN 디바이스에서 우수한 성능 및 신뢰성을 얻을 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 포토다이오드의 경우에는, 훨씬 적은 작업이 수행되었다. 예를 들어, D'Evelyn 등의 미국 특허 [US 제6,806,508호]에는 GaN-on-GaN 포토다이오드가 개시되었지만, 그 자세한 성능 특성은 보고되지 않았으며, 그 디바이스는 광섬유를 포함하는 파워 다이오드 응용보다는 오히려 포토디텍터 응용을 위한 것이었다.
관련 응용으로는 근적외선의 파장에서 GaAs-계 레이저 및 포토다이오드를 이용하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 그것의 보다 큰 밴드갭으로 인해, 질화물계 포토다이오드는, 대응하는 GaAs-계 디바이스 및 시스템에 비해, 상승된 온도 및 높은 입력 파워 레벨에서 상당히 높은 개회로(open-circuit) 전압 및 우수한 효율을 가능하게 해야 한다.
이상으로부터, GaN계 파워 포토다이오드를 개선하기 위한 기술이 매우 요구되고 있음을 알 수 있다.
본 개시의 실시예는 제1 표면 및 제2 표면을 가지는 기판을 포함하는 포토다이오드 구조를 제공할 수 있다. 여기서 기판의 제2 표면은 제1 표면과 반대측이고, 기판은 단결정 III족 금속 질화물이며, 기판의 제1 표면은 (0001)+c-면, {10-10}m-면, 또는 {11-2±2}, {60-6±1}, {50-5±1}, {40-4±1}, {30-3±1}, {50-5±2}, {70-7±3}, {20-2±1}, {30-3±2}, {40-4±3}, {50-5±4}, {10-1±1}, {1 0 -1 ±2}, {1 0 -1 ±3} 중 하나로부터 선택된 반극성면의 5도 이내의 결정학적 방향을 가지거나, 또는 (000-1)로부터 2도 내지 5도 사이만큼 차이가 있다. 또한 포토다이오드 구조는 기판의 제1 표면 상에 배치되는 n-타입 층 및 p-타입 층 - n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하며(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 적어도 1×1017cm-3의 도펀트 농도를 가짐 - ; n-타입 층 및 p-타입 층 사이에 배치된 하나 이상의 흡수 층 - 하나 이상의 흡수 층은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하며(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 대략 109cm-2 미만의 전위 밀도를 가짐 - ; p-타입 층 상에 배치된 p-측 전기 접촉 층 - p-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 70%의 평균 반사율 및 3×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가짐 - ; 기판의 제2 표면 상에 배치된 n-측 전기 접촉 층 - n-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 70%의 평균 반사율 및 1×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가짐 - ; 및 수광 표면을 포함하며, 수광 표면은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장을 가지며 수광 표면에 비스듬히 입사되는 광이, n-측 전기 접촉 층 및 p-측 전기 접촉 층으로부터 적어도 한번 반사되도록 정렬된다. 포토다이오드 구조는 또한 적어도 10Acm-2의 전류 밀도를 발생시키는 조도 레벨에서 적어도 50%의 충전율(fill factor)로 특징지어질 수 있다.
또한 본 개시의 실시예는 하나 이상의 흡수 층 - 하나 이상의 흡수 층은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하고(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임) - ; n-타입 층 및 p-타입 층 - 하나 이상의 흡수 층은 n-타입 층 상에 배치되고, p-타입 층은 하나 이상의 흡수 층 상에 배치됨 - ; 제1 표면 및 제2 표면을 가지는 캐리어 기판 - 캐리어 기판의 제1 표면은 p-타입 층 상에 또는 n-타입 층 하에 배치됨 - ; p-타입 층과 전기 접촉하여 배치된 p-측 전기 접촉 층 - p-측 전기 접촉 층은 3×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가짐 - ; p-타입 층 및 캐리어 기판의 제2 표면 중 하나에 배치된 p-측 반사 층 - p-측 반사 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 70%의 평균 반사율을 가짐 - ; n-타입 층과 전기 접촉하여 배치된 n-측 전기 접촉 층 - n-측 전기 접촉 층은 1×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가짐 - ; n-측 층 및 캐리어 기판의 제2 표면 중 하나 상에 배치된 n-측 반사 층 - n-측 반사 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 70%의 평균 반사율을 가짐 - ; 및 수광 표면을 포함하는 포토다이오드 구조를 제공할 수 있다. 수광 표면은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장을 가지며 수광 표면에 비스듬히 입사되는 광이, n-측 반사 층 및 p-측 반사 층으로부터 적어도 한번 반사되도록 정렬된다. n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하고(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 적어도 1×1016cm-3의 도펀트 농도를 가진다. 캐리어 기판은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 파장에서 실질적으로 투명하다.
또한 본 개시의 실시예는 제1 표면, 제2 표면 및 제3 표면을 가지는 기판, 기판의 제1 표면 상에 배치되는 n-타입 층 및 p-타입 층, n-타입 층 및 p-타입 층 사이에 배치된 하나 이상의 흡수 층, p-타입 층 상에 배치된 p-타입 전극 층, 기판의 제2 표면 상에 배치된 n-타입 전극 층, 및 수광 표면을 포함하는 포토다이오드 구조를 제공할 수 있다. 제3 표면은 수광 표면을 포함하며, 그것을 통해서 수신된 광이, n-타입 전극 층 및 p-타입 전극 층 사이에서 적어도 한번 반사되도록 구성된다. n-타입 전극 층은 그 내부에 형성된 개구부의 어레이를 포함하고, 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 파장에서 적어도 70%의 평균 반사율을 가진다. p-타입 전극 층은 그 내부에 형성된 개구부의 어레이를 포함하고, 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 파장에서 적어도 70%의 평균 반사율을 가진다. 하나 이상의 흡수 층은 AlxInyGa1-x-yN 물질을 포함하고(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 약 109cm-2 미만의 전위 밀도를 가진다. n-타입 층 및 p-타입 층 각각은, AlxInyGa1-x-yN 물질을 포함하고(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 적어도 1×1016cm-3의 도펀트 농도를 가진다. 기판의 제2 표면은 제1 표면과 반대측이고, 기판의 제3 표면은 제1 및 제2 표면에 대해 비스듬히 정렬되고, 기판은 단결정 III족 금속 질화물이며, 그리고 기판의 제1 표면은 (0001)+c-면, {10-10}m-면, 또는 {11-2±2}, {60-6±1}, {50-5±1}, {40-4±1}, {30-3±1}, {50-5±2}, {70-7±3}, {20-2±1}, {30-3±2}, {40-4±3}, {50-5±4}, {10-1±1}, {1 0 -1 ±2}, {1 0 -1 ±3} 중 하나로부터 선택된 반극성면의 5도 이내의 결정학적 방향을 가지거나, 또는 (000-1)로부터 2도 내지 5도 사이만큼 차이가 있다.
본 개시의 실시예는 n-타입 층 및 p-타입 층 사이에 위치하는 하나 이상의 흡수 층을 포함하는 포토다이오드 구조를 포함할 수 있다. 흡수 층, n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하고(여기서, 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 대략 109cm-2 미만의 전위 밀도를 가지고, 흡수체가 아닌 n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 1×1016cm-3의 도펀트 농도로 특징지어지며, 흡수 층은 대략 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 파장을 가지는 광의 효율적인 전력 변환을 위해 구성되며; 그리고 이 구조는 적어도 10Acm-2의 전류 밀도를 발생시키는 조도 레벨에서 적어도 50%의 충전율로 특징지어진다.
전술한 본 발명의 특징이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 상기에 간략하게 요약된 본 개시의 보다 특정한 설명이 실시예를 참조하여 수행될 수 있고, 이들 중 일부는 첨부된 도면에서 예시된다. 그러나, 첨부된 도면은 단지 예시적인 실시예를 나타내는 것이고, 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며 다른 동등한 효과적인 실시예를 허용할 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따라 준비된 질화물계 파워 포토다이오드 구조를 나타내는 간략화된 도면이다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따라 준비된 다른 질화물계 파워 포토다이오드 구조를 나타내는 간략화된 도면이다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따라 준비된 또 다른 질화물계 파워 포토다이오드 구조를 나타내는 간략화된 도면이다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 포토다이오드에 대한 충전율의 정의를 나타내는 간략화된 도면이다.
도 5는 본 개시의 제1 비교예에 따른 포토다이오드의 조명된 전류-전압 거동 및 충전율을 나타내는 간략화된 도면이다.
도 6은 본 개시의 제2 비교예에 따른 포토다이오드의 조명된 전류-전압 거동 및 충전율을 나타내는 간략화된 도면이다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 포토다이오드 구조 내의 반도체 층의 개략도를 보여주는 간략화된 도면이다.
도 8a, 9a, 및 10a는 본 개시의 실시예에 따른 포토다이오드 구조에 대해 광전류를 인가 전압의 함수로서 보여주는 간략화된 도면이다.
도 8b, 9b, 및 10b는 본 개시의 실시예에 따른 포토다이오드 구조 내의 로컬 밴드(local band) 구조를 위치의 함수로서 보여주는 간략화된 도면이다.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른 조명된 포토다이오드 구조에 대해 광전류를 인가 전압의 함수로서 보여주는 간략화된 도면이다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 조명된 포토다이오드 구조에 대해 광전류를 인가 전압의 함수로서 보여주는 간략화된 도면이다.
도 13a 및 13d는 본 개시의 실시예에 따라 준비된 또 다른 질화물계 파워 포토다이오드 구조를 나타내는 간략화된 도면이다.
도 13b 및 13c는 본 개시의 실시예에 따른 질화물계 파워 포토다이오드 구조로부터 기판을 제거하는 방법을 나타내는 간략화된 도면이다.
도 14a 및 14b는 본 개시의 실시예에 따라 준비된 다른 포토다이오드 구조를 나타내는 간략화된 도면이다.
도 15는 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 InGaN/GaN 포토다이오드 구조의 조명된 I-V 성능 특성 표를 포함한다.
이해를 돕기 위해, 가능한 경우, 도면에 공통되는 동일한 요소를 지정하기 위해 동일한 참조 부호가 이용되었다. 하나의 실시예의 요소 및 특징은 추가의 설명 없이 다른 실시예에 유리하게 통합될 수 있다고 고려된다.
본 개시에 따르면, III족 금속 질화물 및 갈륨계 기판에 기초한 파워 포토다이오드 구조 및 디바이스의 제조 및 응용에 관한 기술이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예는 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, 및 AlInGaN 중 하나 이상을 포함하는 포토다이오드 디바이스, 구조 및 디바이스를 제조하기 위한 기술을 포함한다. 이런 구조 또는 디바이스는 광전자 디바이스, 포토다이오드, 광섬유 파워 수신기 등을 포함하는 다양한 응용에 이용될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 레이저 및 포토다이오드는 GaAs 물질 시스템에서 더 잘 개발되어 있다. 비소 및 질화물계 사이의 물질 특성의 주된 차이점 중 하나는 비소의 경우, 예를 들어, AlGaAs를 통해, 격자 상수에 대한 최소한의 영향으로 밴드갭이 쉽게 변경될 수 있지만, 질화물의 경우는 그렇지 않다는 것이다. 질화물 흡수 층을 포함하는 종래의 포토다이오드 패키지 구조는 대다수의 입사 광을 흡수하기 위해 대략 수백 나노미터의 흡수 층을 필요로 할 수 있다. 1×105cm-1의 흡수 층 흡수 계수를 가정하면, 단일 경로에서 흡수된 광은 50, 100, 200, 300, 및 400nm의 두께에 대해, 각각, 대략 39%, 63%, 87%, 95%, 및 98%이다. 질화물의 경우, 청색 또는 보라색 광을 효율적으로 흡수하는데 충분한 인듐(In)을 가지는 InGaN의 이러한 두께는, 너무 응력이 가해져 전위(dislocation) 발생 또는 크래킹에 의한 이완을 피할 수 없을 수 있다. 본 발명자들은 이러한 문제를 회피하기 위해, 비교적 얇은 흡수 층으로도 거의 100%의 광 흡수를 달성하도록 흡수 층을 통한 긴 광 경로를 포함하는 접근법을 발견했다. 추가적인 이점으로는, 우수한 열 방출, 제로 또는 매우 낮은 그리드 음영(grid shadow) 손실, 및 긴 유효 소수 캐리어 수명을 포함한다. 여기서, 유효 소수 캐리어 수명에는 흡수 층에 의해 방출된 광자의 재흡수로 정의되는 광자 재활용(photon recycling)을 포함한다.
또한, 에피택셜 성장 층의 스택과 같은 포토다이오드 구조는, 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)에 대한 구조와 유사점 및 차이점 모두를 가진다. 예를 들어, LED 및 LD 구조 모두 일반적으로 활성 영역으로부터 전자 손실을 최소화하고 활성 영역 내에서 방사 캐리어 재결합을 촉진하기 위해 p-타입 층 내에 전자 장벽 층을 포함한다. 그러나, 이런 구조는 포토다이오드 구조에 대한 직렬 저항을 증가시킬 수 있어 역효과가 날 수 있다. 유사하게, LD 구조는 일반적으로, 그 설계가 본 응용과 다른 고려 사항에 의해 유도되기 때문에, 하나 이상의 클래딩 층, 광 구속(optical confinement) 층, 및 포토다이오드의 성능을 저하시킬 수 있는 분리 구속 헤테로 구조(SCH; separate confinement heterostructure) 층을 포함한다.
일반적으로 그리고 활성 층이 InGaN 또는 Ga(In)N을 포함하거나 이로 구성되는 특정 경우에, 포토다이오드에 대한 효과적인 에피택셜 구조를 설계하기 위한 목적으로, 소수 캐리어에 대한 고레벨의 활성 층 광 흡수 및 집진 효율이 검출 감도 및 동작 전류 Imp를 증가시킬 것이다. 전위 및 적층 결함과 같은, 점 결함 및 확장된 결함 모두의 저농도의 결함은, SRH(Shockley-Read-Hall) 비방사 재결합을 감소시키고, 이것에 의해 보다 높은 동작 전압 Vmp를 초래할 것이다. 또한 저농도의 결함은 높은 광 조건(즉, 높은 광 파워(와트) 조건)에서 개선된 포토다이오드 성능을 가능하게 한다. 포토다이오드의 효율(η)은 η = Vmp × Imp / Pin으로 나타낼 수 있다. 여기서, Pin은 입력 방사 파워이다.
포토다이오드의 효율(η)을 표현하는 또 다른 방식으로는, 도 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이, η = Voc × Isc × FF / Pin 이다. 여기서, Voc는 개회로 전압이고, Isc는 단락 전류이고, FF는 충전율이다. 반도체 포토다이오드의 효율(η)을 표현하는 또 다른 방식으로는, η = (eVoc/Eg) × OA × IQE × FF × Eg/(hv)이다. 여기서, e는 전자의 전하이고, Eg는 반도체의 밴드갭이며, OA는 광 흡수(또는 흡수 층에서 흡수된 입사 포톤의 비율)이고, IQE는 내부 양자 효율(수집되는 전자-정공 쌍을 발생시키는 흡수된 포톤의 비율)이며, h는 플랑크 상수이고, v는 포톤 에너지이다. 바람직한 실시예에서, FF는 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90%보다 높다.
주로 GOS 구조를 이용하여 제조된, 훨씬 더 낮은 포톤 플럭스를 위해 설계된 종래 기술의 포토다이오드와 비교하여, GaN-on-GaN 구조를 포함하는 본 발명의 포토다이오드는, 반도체 층의 조성 및 도핑의 신중한 최적화와, 다반사 여기 아키텍처와 함께 사용하기 위한 높은 반사율 및 고전류 밀도에서 측면 저항 손실을 최소화시키는 매우 낮은 접촉 저항을 가지는 대면적 p-측 및 n-측 전기 접점(contact)으로 인해, 높은 변환 효율을 특징으로 한다. 특정 실시예에서, 이 포토다이오드 구조는, 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 빛(illumination)이 단일 레이저 또는 다중 레이저에 의해 제공되고, 에지를 통해 혹은 개구를 통해 그 구조에 들어가는 경우의 응용을 위해 설계되었다. 특정 실시예에서, 레이저 광은, 광섬유, 렌즈, 또는 도파관을 이용하여, 포토다이오드 구조의 에지 또는 포토다이오드 구조에 형성된 개구에 커플링된다. 특정 실시예에서, 본 발명의 포토다이오드 구조는 보다 높은 전류를 위한 보다 긴 소수 캐리어 확산 거리 및 보다 높은 개회로 전압 및 충전율을 위한 보다 긴 소수 캐리어 수명과 함께, 훨씬 더 낮은 전위 밀도를 추가로 포함한다. 또한, 본 발명의 디바이스는 보다 단순한 설계 및 감소된 직렬 저항을 위해 수직으로 배향된 파워 디바이스에서 수직 수송을 가능하게 하는 전기 전도성 기판 및 광학 손실을 최소화하는 흡수 층과 매우 유사한 굴절률을 가지는 투명 기판을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 기판은 최적의 디바이스 성능을 위해 편광 필드의 조정을 가능하게 하는 무극성 또는 반극성의 결정학적 방향을 가진다.
도 1 - 도 3은 III족 금속 질화물계 포토다이오드 구조의 간략화된 도면을 도시한다. 도 1을 참조하면, 기판(101)이 제공된다. 특정 실시예에서, 기판(101)은 단결정 III족 금속 질화물, 갈륨 함유 질화물, 또는 질화 갈륨을 포함한다. 기판(101)은 HVPE에 의해, 암모노서멀적으로(ammonothermally), 또는 플럭스법에 의해 성장될 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(101)은 템플릿이며, 여기서 단결정 III족 금속 질화물 층(1104)이 사파이어(Al2O3), 탄화 규소(SiC), 또는 실리콘과 같은 물질로 구성되거나 이를 포함하는 템플릿 기판(1101) 상에 증착되거나 성장되어 있다. 다른 실시예에서, 템플릿 기판(1101)은 갈륨 비소, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 합금, MgAl2O4 스피넬, ZnO, ZrB2, BP, InP, AlON, ScAlMgO4, YFeZnO4, MgO, Fe2NiO4, LiGa5O8, Na2MoO4, Na2WO4, In2CdO4, 리튬 알루미네이트(LiAlO2), LiGaO2, Ca8La2(PO4)6O2, 질화 갈륨(GaN), 질화 알루미늄(AlN) 등으로 구성되거나 이를 포함할 수 있다. 기판(101)의 한쪽 또는 양쪽 대면적 표면은 연마 및/또는 화학적-기계적으로 연마될 수 있다. 기판(101)의 대면적 표면(102)은 (0001)+c-면, (000-1)-c-면, {10-10}m-면, {11-2±2}, {60-6±1}, {50-5±1}, {40-4±1}, {30-3±1}, {50-5±2}, {70-7±3}, {20-2±1}, {30-3±2}, {40-4±3}, {50-5±4}, {10-1±1}, {1 0 -1 ±2}, {1 0 -1 ±3}, {2 1 -3 ±1}, 또는 {3 0 -3 ±4}의 5도 이내, 2도 이내, 1도 이내, 또는 0.5도 이내의 결정학적 방향을 가질 수 있다. 면 {3 0 -3 ±4}는 {3 0 -3 4} 면 및 {3 0 -3 -4} 면을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 표면(102)은 (h k i l) 반극성 방향을 가질 수 있으며, 여기서 i = -(h + k)이고 l과 h 및 k 중 적어도 하나는 제로가 아니다. 특정 실시예에서, 템플릿 기판(1101)은 사파이어로 구성되거나 이를 포함하며, (0001), (10-10), (10-12), (22-43), 또는 (11-23)의 5도 이내, 2도 이내, 1도 이내, 또는 0.5도 이내의 결정학적 방향을 가지는 대면적 표면을 가진다. 특정 실시예에서, 템플릿 기판(1101)은 사파이어로 구성되거나 이를 포함하며, (0001)로부터 {11-20} a-면, {10-10}m-면, 또는 a-면과 m-면 사이 a-면 중간을 향하여 약 0.5도 내지 약 8도 사이, 또는 약 2도 내지 약 4도 사이의 각도로 어긋나 배향되어(misoriented) 있는 대면적 표면을 가진다. 특정 실시예에서, 템플릿 기판(1101)은 입방 구조 및 {111}, {100}, {110}, 또는 {114}의 5도 이내, 2도 이내, 1도 이내, 또는 0.5도 이내의 결정학적 방향을 가지는 대면적 표면을 가진다. 다른 방향들이 선택될 수도 있다.
표면(102)은 약 0.2밀리미터 내지 약 600밀리미터 사이의 최대 치수 및 약 0.2밀리미터 내지 약 600밀리미터 사이의 최소 치수를 가질 수 있으며, 기판(101)은 약 10마이크로미터 내지 약 10밀리미터 사이, 또는 약 100마이크로미터 내지 약 2밀리미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(101)은 하나 이상의 오리엔테이션 플랫(orientation flat)을 가지며 실질적으로 원형이다. 다른 실시예에서, 기판(101)은 실질적으로 직사각형이다. 특정 실시예에서, 대면적 표면(102)은 약 50mm, 100mm, 125mm, 150mm, 200mm, 250mm, 또는 300mm의 최대 치수를 가진다. 대면적 표면(102)의 결정학적 방향의 편차는 약 5도 미만, 약 2도 미만, 약 1도 미만, 약 0.5도 미만, 약 0.2도 미만, 약 0.1도 미만, 또는 약 0.05도 미만일 수 있다.
기판(101)은 약 107cm-2 미만, 약 106cm-2 미만, 약 105cm-2 미만, 약 104cm-2 미만, 약 103cm-2 미만, 또는 약 102cm-2 미만의 표면 스레딩(threading) 전위 밀도를 가질 수 있다. 기판(101)은 약 104cm-1 미만, 약 103cm-1 미만, 약 102cm-1 미만, 약 10cm-1 미만 또는 약 1cm-1 미만의 적층 결함 농도를 가질 수 있다. 기판(101)은 약 500아크초 미만, 약 300아크초 미만, 약 200아크초 미만, 약 100아크초 미만, 약 50아크초 미만, 약 35아크초 미만, 약 25아크초 미만, 또는 약 15아크초 미만의 반치전폭(FWHM)의 대칭 x선 로킹 커브를 가질 수 있다. 기판(101)은 적어도 하나 또는 적어도 두 개의 독립적인 또는 직교의 방향으로 0.1미터, 1미터, 10미터, 100미터, 또는 1000미터 보다 큰 결정학적 곡률 반경을 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(101)은 약 105cm-2 미만의 표면 스레딩 전위 밀도, 약 10cm-1 미만의 적층 결함 농도, 및 약 50아크초 미만의 반치전폭(FWHM)의 대칭 x선 로킹 커브를 가진다. 기판에서 감소된 전위 밀도는, 대부분의 종래 기술의 포토다이오드에 비해, 포토다이오드의 반도체 층에서 감소된 전위 밀도를 초래하고 고전류 밀도에서 보다 높은 개회로 전압 Voc과 보다 높은 효율이 예상된다.
일부 실시예에서, 기판(101)은 비교적 저농도의 스레딩 전위를 가지는 영역에 의해 분리된 비교적 고농도의 스레딩 전위를 가지는 영역을 포함할 수 있다. 비교적 고농도 영역에서 스레딩 전위의 농도는 약 105cm-2 보다 높거나, 약 106cm-2 보다 높거나, 약 107cm-2 보다 높거나, 또는 약 108cm-2 보다 높을 수 있다. 비교적 저농도 영역에서 스레딩 전위의 농도는 약 106cm-2 미만, 약 105cm-2 미만, 또는 약 104cm-2 미만일 수 있다. 기판(101)은 비교적 낮은 전기 전도성을 가지는 영역에 의해 분리된 비교적 높은 전기 전도성을 가지는 영역을 추가로 또는 개별적으로 포함할 수 있다. 기판(101)은 약 10미크론 내지 약 100밀리미터 사이, 또는 약 0.1밀리미터 내지 약 10밀리미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 기판(101)은 적어도 약 5밀리미터, 적어도 약 10밀리미터, 적어도 약 25밀리미터, 적어도 약 50밀리미터, 적어도 약 75밀리미터, 적어도 약 100밀리미터, 적어도 약 150밀리미터, 적어도 약 200밀리미터, 적어도 약 300밀리미터, 적어도 약 400밀리미터, 또는 적어도 약 600밀리미터의 직경을 포함하는 치수를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(101)은 약 250마이크로미터 내지 약 600마이크로미터 사이의 두께, 약 15밀리미터 내지 약 160밀리미터 사이의 최대 측면 치수 또는 직경을 가지며, 스레딩 전위 농도가 약 104cm-2 미만인 영역을 포함한다.
기판(101)은 템플릿 기판(1101)과 같은 안정된 기판으로부터 표면 층(1104)의 용이한 분리를 위해 이형 층(release layer; 1103)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이형 층(1103)은 템플릿 기판이 50cm-1 미만의 광 흡수 계수를 가지고 실질적으로 투명한 경우 적어도 하나의 파장에서 1000cm-1 보다 큰 광 흡수 계수를 가지며, 이것에 의해, 예를 들면, 적어도 하나의 디바이스 구조의 제조 후에, LOO(laser lift-off) 기술에 의해 기판 제거를 가능하게 한다. 특정 실시예에서, 이형 층(1103)은 Co로 고농도 도핑된 GaN를 포함하거나 이로 구성되어, 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 그 광 흡수 계수가 5000cm-1 보다 크게 증가시킨다. 하나의 특정 실시예에서, 0.5마이크로미터 내지 50마이크로미터 사이의 두께를 가지는 Co-도핑된 이형 층(1103)은
광화제에 대한 첨가제로서 CoF2 및 고품질 GaN 시드 결정으로 구성되는 템플릿(1101)을 가지고, 템플릿 기판(1101)에 암모노서멀적으로 형성된다. 또 다른 특정 실시예에서, Co-도핑된 이형 층(1103)은 도펀트 전구체로서 사이클로펜타디에닐코발트 디카보닐((C5H5)Co(CO)2), 코발트 (II) 아세틸아세토네이트(Co(CH3C(O)CHC(O)CH3)2), 코발트 트리카르보닐 니트로실(Co(CO)3NO), 디코발트 옥타카보닐(Co2(CO)8), 및 테트라코발트 도데카카르보닐(Co4(CO)12) 중 적어도 하나를 이용하여 고품질 GaN 기판(1101) 상에 MOCVD에 의해 형성된다. 또 다른 특정 실시예에서, Co-도핑된 이형 층(1103)은 도펀트 전구체로서 사이클로펜타디에닐코발트 디카보닐((C5H5)Co(CO)2), 코발트 (II) 아세틸아세토네이트(Co(CH3C(O)CHC(O)CH3)2), 코발트 트리카르보닐 니트로실(Co(CO)3NO), 디코발트 옥타카보닐(Co2(CO)8), 및 테트라코발트 도데카카르보닐(Co4(CO)12) 중 적어도 하나를 이용하여 고품질 GaN 기판(1101) 상에 HVPE(hydride vapor phase epitaxy; 증기 액상 증착법)에 의해 형성된다. 더 자세한 사항은 미국 특허 제8,148,801호에 기술되어 있으며, 그 전체가 참조로 여기에 포함된다. 일부 실시예에서, 이형 층(1103)은 InGaN을 포함하고 아래에 설명되는 흡수 층보다 작은 밴드갭을 가지며, 이것에 의해, 예를 들면, 적어도 하나의 디바이스 구조의 제조 후에, 광 전기화학(photoelectrochemical) 에칭 기술에 의해 기판 제거를 가능하게 한다. 특정 실시예에서, 이형 층(1103)은 InGaN 및 GaN 또는 AlGaN의 응력 초격자(strained-layer superlattice)를 포함하거나 이로 구성되며, 여기서 응력 초격자의 백분율(%) 인듐(In)은 흡수 층보다 높고, 고품질 GaN 기판(1101) 상에 MOCVD에 의해 성장된다. InGaN 이형 층의 더 자세한 사항은 미국 특허 제8,866,149호 및 미국 특허출원 공개공보 US2019/0088495호에 보다 자세하게 기술되어 있으며, 이들 각각은 그 전체가 참조로 여기에 포함된다.
특정 실시예에서, 기판(101)은 템플릿 기판(1101)의 표면에 본딩되거나 그 표면에 형성된 III족 금속 질화물 층(1104)으로 구성된다. III족 금속 질화물 층(1104)은 갈륨을 포함할 수 있다. III족 금속 질화물 층은 HVPE, MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 등에 의해 증착될 수 있다. III족 금속 질화물 층(1104)은 약 1마이크로미터 내지 약 100마이크로미터 사이, 약 2마이크로미터 내지 약 25마이크로미터 사이, 또는 약 3마이크로미터 내지 약 15마이크로미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, III족 금속 질화물 층(1104)은 우르츠광(wurtzite) 결정 구조 및 (0001)+c-면, (000-1)-c-면, {10-10}m-면, {11-2±2}, {60-6±1}, {50-5±1}, {40-4±1}, {30-3±1}, {50-5±2}, {70-7±3}, {20-2±1}, {30-3±2}, {40-4±3}, {50-5±4}, {10-1±1}, {1 0 -1 ±2}, {1 0 -1 ±3}, {2 1 -3 ±1}, 또는 {3 0 -3 ±4}의 5도 이내, 2도 이내, 1도 이내, 또는 0.5도 이내의 결정학적 방향을 가진다. 특정 실시예에서, 결정핵생성(nucleation) 층(미도시)은 템플릿 기판(1101)과 III족 금속 질화물 층(1104) 사이의 계면에 존재한다. 특정 실시예에서, 결정핵생성 층은 질화 알루미늄, 질화 갈륨, 및 산화 아연 중 하나 이상으로 구성되거나 이를 포함한다. 특정 실시예에서, 결정핵생성 층은 저온 MOCVD, 스퍼터링, 및 전자빔 증착 중 적어도 하나에 의해 템플릿 기판(1101) 상에 증착된다. 특정 실시예에서, 결정핵생성 층은 약 1나노미터 내지 약 200나노미터 사이 또는 약 10나노미터 내지 약 50나노미터 사이의 두께를 가진다. 특정 실시예에서, 기판은 추가로 하나 이상의 응력 관리(strain-management) 층, 예를 들면, AlGaN 층 또는 응력 초격자를 포함한다.
특정 실시예에서, 표면(102)은 약 1×1016cm-3, 약 1×1017cm-3, 또는 약 1×1018cm-3 보다 높은 산소(O) 및 수소(H) 중 적어도 하나의 원자 불순물 농도를 가진다. 특정 실시예에서, H의 원자 불순물 농도 대 O의 원자 불순물 농도의 비율은 약 1.1 내지 약 1000의 사이 또는 약 5 내지 약 100의 사이이다. 특정 실시예에서, 표면(102)은 약 1×1015cm-3, 약 1×1016cm-3, 약 1×1017cm-3, 또는 약 1×1018cm-3 보다 높은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 또는 요오드(I) 중 적어도 하나의 불순물 농도를 가진다. 특정 실시예에서, 표면(102)은 조정된 이차 이온 질량 분석기(SIMS)에 의해 정량화됨에 따라, 각각, 약 1×1016cm-3 내지 1×1019cm-3 사이, 약 1×1016cm-3 내지 2×1019cm-3 사이, 1×1017cm-3 미만, 1×1016cm-3 미만, 및 1×1016cm-3 미만의 O, H, 탄소(C), Na, 및 K의 불순물 농도를 가진다. 또 다른 실시예에서, 표면(102)은 조정된 이차 이온 질량 분석기(SIMS)에 의해 정량화됨에 따라, 각각, 약 1×1016cm-3 내지 1×1019cm-3 사이, 약 1×1016cm-3 내지 2×1019cm-3 사이, 1×1017cm-3 미만, 및 약 3×1015cm-3 내지 1×1018cm-3 사이의 O, H, C, 및 Na과 K 중 적어도 하나의 불순물 농도를 가진다. 또 다른 실시예에서, 표면(102)은 조정된 이차 이온 질량 분석기(SIMS)에 의해 정량화됨에 따라, 각각, 약 1×1016cm-3 내지 1×1019cm-3 사이, 약 1×1016cm-3 내지 2×1019cm-3 사이, 1×1017cm-3 미만, 및 약 1×1015cm-3 내지 1×1019cm-3 사이의 O, H, C, 및 F와 Cl 중 적어도 하나의 불순물 농도를 가진다. 일부 실시예에서, 표면(102)은 조정된 이차 이온 질량 분석기(SIMS)에 의해 정량화됨에 따라, 약 5×1017cm-3 내지 1×1019cm-3 사이의 H의 불순물 농도를 가진다. 특정 실시예에서, 기판(101)은 약 3175cm-1 에서 적외선 흡수 최대치를 가지며, 약 0.01cm-1 보다 큰 단위 두께당 흡광도를 가진다.
기판(101)은 임의의 입방체 엔티티 또는 기타 결정 구조가 실질적으로 없는 우르츠광 구조로 특징지어질 수 있으며, 그 기타 구조는 실질적으로 우르츠광 구조와 관련하여 볼륨이 약 0.1% 미만이다.
기판(101)은 약 25마이크로미터 미만, 약 10마이크로미터 미만, 약 5마이크로미터 미만, 약 2마이크로미터 미만, 또는 약 1마이크로미터 미만의 총 두께 편차(TTV; total thickness variation)에 의해, 그리고 약 200마이크로미터 미만, 약 100마이크로미터 미만, 약 50마이크로미터 미만, 약 25마이크로미터 미만, 또는 약 10마이크로미터 미만인 거시적 곡선(macroscopic bow)에 의해 특징지어질 수 있다. 기판(101)은, 약 2cm-2 미만, 약 1cm-2 미만, 약 0.5cm-2 미만, 약 0.25cm-2 미만, 또는 약 0.1cm-2 미만의 약 100마이크로미터보다 큰 직경 또는 특성 치수를 가지는, 표면(102) 상의 매크로 결함 농도를 가질 수 있다. 기판(101)의 대면적 표면(102)에 걸친 미스컷(miscut) 각도의 변화는 두개의 직교하는 결정학적 방향 각각에서 약 5도 미만, 약 2도 미만, 약 1도 미만, 약 0.5도 미만, 약 0.2도 미만, 약 0.1도 미만, 약 0.05도 미만, 또는 약 0.025도 미만일 수 있다. 적어도 10㎛ × 10㎛의 면적에 걸쳐 측정된 표면(102)의 RMS(root-mean-square) 표면 거칠기는 약 0.5나노미터 미만, 약 0.2나노미터 미만, 약 0.15나노미터 미만, 약 0.1나노미터 미만, 또는 약 0.05나노미터 미만일 수 있다. 기판(101)은 약 1×1017cm-3 내지 약 3×1019cm-3 사이의 캐리어 농도 및 약 100cm2/V-s 보다 큰 캐리어 이동도를 가지는 n-타입 전기 전도성으로 특징지어질 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(101)은 약 10cm-1 미만, 약 5cm-1 미만, 약 2cm-1 미만, 약 1cm-1 미만, 약 0.5cm-1 미만, 약 0.2cm-1 미만, 또는 약 0.1cm-1 미만인, 405나노미터 또는 450나노미터의 파장에서 광 흡수 계수를 가지고 매우 투명하다.
특정 실시예에서, AluInvGa1-u-vN 층(여기서 0 ≤ u, v, u+v ≤ 1)을 포함하는 하나 이상의 n-타입의 제1 비흡수 층(105)이 기판에 증착된다. 특정 실시예에서, 전체 구조에서 응력(stress)을 관리하는데 도움이 되도록 하나 이상의 추가 층이 증착된다. 제1 비흡수 층(105)의 캐리어 농도는 약 1016cm-3 내지 1020cm-3 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 실리콘, 게르마늄, 또는 산소는 제1 비흡수 층(105)의 도펀트이다. 특정 실시예에서, 게르마늄은 n-타입 도펀트로 선택된다. 특정 실시예에서, 제1 비흡수 층(105)의 캐리어 농도는 5×1017cm-3 내지 1020cm-3 사이 또는 2×1018cm-3 내지 6×1019cm-3 사이의 범위에 있다. 효율적인 캐리어 수집을 위해 압전 필드가 보다 효율적으로 스크리닝될 수 있기 때문에, 기판(105)이 (0001)+c-면 방향을 가지는 경우, 높은 도핑 레벨이 특히 바람직할 수 있다. 가파르거나(Abrupt) 또는 경사진(graded) 조성 또는 도핑 프로파일이 제1 비흡수 층 내의 계면에 포함될 수 있다. 증착은 MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition) 또는 MBE(molecular beam epitaxy)를 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 기판은 MOCVD 리액터의 서셉터 상에 배치될 수 있다. 그 리액터를 닫고, 비우고, 다시 채운 후, 서셉터는 질소 함유 가스의 존재 하에 섭씨 약 800 내지 약 1350도 사이의 온도로 가열될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 서셉터는 암모니아 유동 하에 대략 섭씨 1185도로 가열된다. 트리메틸갈륨(TMG), 트리에틸갈륨(TEG), 또는 트라이아이소프로필갈륨과 같은 갈륨 함유 금속유기 전구체의 흐름은, 캐리어 가스에서, 대략 1 내지 50sccm(standard cubic centimeters per minute) 사이의 전체 속도로 개시될 수 있다. 캐리어 가스는 수소, 헬륨, 질소, 또는 아르곤을 포함할 수 있다. 성장 중에 III족 전구체(트리메틸갈륨, 트리에틸갈륨, 트리메틸인듐,트리메틸알루미늄)에 대한 V족 전구체(암모니아)의 흐름 속도 비는 약 2000 내지 약 12000 사이이다. 약 0.1 내지 10sccm 사이의 총 흐름 속도를 가지는, 캐리어 가스 내의 디실란의 흐름이 개시될 수 있다. 특정 실시예에서, 도핑은 입력 가스에 SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, GeH4, GeCl4, O2, 및 H2O 중 하나 이상을 추가함으로써 달성된다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 비흡수 층은 변성(metamorphic) 버퍼 층이며, 층 간의 격차 상수 차이의 수용을 용이하게 한다. 특정 실시예에서, 제1 비흡수 층의 도핑 레벨은 2개 이상의 도핑 레벨 및/또는 단계별 도핑 레벨로 불균일할 수 있다. 특정 실시예에서, 기판 온도는 제1 비흡수 층의 증착 동안 변화된다. 특정 실시예에서, 기판 온도는, 예를 들면, 제1 비흡수 층의 제1 부분에 대해 섭씨 1100도 내지 1350도 사이의 높은 값으로 유지되고, 그 다음에 제1 흡수 층의 제2 부분에 대해, 예를 들면, 흡수 층이 증착되는 온도와 같은 온도, 예로써, 섭씨 약 700도 내지 약 950도 사이의 보다 낮은 값으로 감소된다. 특정 실시예에서, 제1 비흡수 층의 제2 부분의 두께는 약 1나노미터 내지 약 20나노미터 사이이다.
미리 결정된 기간 동안 n-타입 제1 비흡수 층(105)의 증착 후, 미리 결정된 두께를 달성하기 위해, 흡수 층(107)이 증착된다. 특정 실시예에서, 흡수 층은 섭씨 약 700도 내지 약 950도 사이의 기판 온도에서 MOCVD에 의해 증착된다. MOCVD에서 전구체로서 트리메틸인듐(TMIn), 트리에틸인듐(TEIn), 및 트라이아이소프로필인듐 중 적어도 하나를 이용하여 흡수 층에 인듐이 추가될 수 있다. 흡수 층에 대한 증착 속도는 초당 약 0.005 내지 약 1나노미터 사이, 또는 초당 약 0.01 내지 약 0.5나노미터 사이, 또는 초당 약 0.02 내지 약 0.2나노미터 사이에 있도록 선택될 수 있다. 특정 실시예에서, 흡수 층은 의도치 않게(unintentionally) 도핑된다. 특정 실시예에서, 흡수 층은 약 5×1015cm-3 내지 약 5×1019cm-3 사이, 또는 약 5×1016cm-3 내지 약 5×1018cm-3 사이의 도펀트 농도를 가지고, 도펀트로서, 산소, 실리콘, 또는 게르마늄을 이용하여 n-타입 도핑된다. 특정 실시예에서, 흡수 층은 약 5×1015cm-3 내지 약 5×1019cm-3 사이, 또는 약 5×1016cm-3 내지 약 5×1018cm-3 사이의 도펀트 농도를 가지고, 도펀트로서 Mg를 이용하여 p-타입 도핑된다. 흡수 층은 단일 양자 우물 또는 2-50개의 양자 우물을 가지는 다중 양자 우물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 흡수 층은 약 10개 내지 약 30개 사이의 양자 우물을 포함한다. 양자 우물은 InGaN 우물 및 GaN 장벽 층을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 웰 층 및 장벽 층은, 각각, AlwInxGa1-w-xN 및 AlyInzGa1-y-zN을 포함해서(여기서 0 ≤ w, x, y, z, w+x, y+z ≤ 1 이고, w<u, y 및/또는 x>v, z 임), 웰 층(들)의 밴드갭이 장벽 층(들) 및 비흡수 층보다 작다. 웰 층 및 장벽 층은 각각 약 0.5나노미터 내지 약 20나노미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 장벽 층은 약 1나노미터 내지 약 3나노미터 사이, 약 3나노미터 내지 약 5나노미터 사이, 약 5나노미터 내지 10나노미터 사이, 또는 약 10나노미터 내지 15나노미터 사이의 두께를 가진다. 특정 실시예에서, 웰 층은 0.5나노미터 내지 약 1.5나노미터 사이, 약 1.5나노미터 내지 약 2.5나노미터 사이, 약 2.5나노미터 내지 약 3.5나노미터 사이, 약 3.5나노미터 내지 약 4.5나노미터 사이, 또는 약 4.5나노미터 내지 약 10나노미터 사이의 두께를 가진다. 또 다른 실시예에서, 흡수 층은 GaN 또는 AlyInzGa1-y-zN 층으로 둘러싸인 약 20nm 내지 약 500nm 두께의 InGaN 또는 AlwInxGa1-w-xN 층을 가지는, 이중 헤테로구조를 포함하거나 이로 구성된다. 여기서 w<u, y 및/또는 x>v, z이다. 특정 실시예에서, 이중 헤테로구조의 두께는 약 10나노미터 내지 약 25나노미터 사이, 약 25나노미터 내지 약 40나노미터 사이, 약 40나노미터 내지 약 60나노미터 사이, 약 60나노미터 내지 약 100나노미터 사이, 약 100나노미터 내지 약 200나노미터 사이이거나, 또는 약 200나노미터보다 두껍다. 가파르거나 경사진 조성 또는 도핑 프로파일이 흡수 층 내의 계면에서 포함될 수 있다. 활성 층의 조성 및 구조는 미리 선택된 파장, 예를 들면, 405나노미터 또는 450나노미터에서, 광 흡수를 제공하도록 선택된다. 특정 실시예에서, 파장은 약 400나노미터에서 약 500나노미터 사이에 있도록 선택된다. 흡수 층은 광발광(photoluminescence) 분광법에 의해 특징지어질 수 있다. 특정 실시예에서, 흡수 층의 조성은, 광발광 스펙트럼이 포토다이오드 구조의 원하는 흡수 파장보다 5나노미터 내지 50나노미터 사이 또는 10나노미터 내지 25나노미터 사이만큼 더 긴 파장에서 피크를 갖도록, 선택된다. 특정 실시예에서, 흡수 층 내의 품질 및 층 두께는 x선 회절(diffraction)에 의해 특징지어진다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 추가적인 제2 비흡수 층(109)이 다음으로 증착된다. 제2 비흡수 층(109)은 AlsIntGa1-s-tN을 포함할 수 있으며(여기서, 0 ≤ s, t, s+t ≤ 1 임), 흡수 층보다 더 큰 밴드갭을 가지고, p-타입 도핑될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 제2 비흡수 층(109)은 AlGaN을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 비흡수 층(109)은, 각각이 약 0.2nm 내지 약 5nm 사이의 두께를 가지는, AlGaN 및 GaN의 교대(alternating) 층을 포함하는, AlGaN/GaN 다중 양자 장벽(MQB)을 포함한다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 비흡수 층은 변성 버퍼 층이며, 층 간의 격자 상수 차이의 수용을 용이하게 한다. 가파르거나 경사진 조성 또는 도핑 프로파일이 제2 비흡수 층 내의 계면에서 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 비흡수 층의 광학 설계는 흡수 층을 통해서 기판으로부터 전송된 광의 약 70% 보다 큰 광 반사를 달성하도록 조정된다.
다음으로, p-타입 도핑된 AlqInrGa1-q-rN 층(111)인, 층이 흡수 층 및, 존재하는 경우, 제2 비흡수 층 위에 증착된다. 여기서, 0 ≤ q, r, q+r ≤ 1이다. p-타입 층(111)은 약 1016cm-3 내지 1021cm-3 사이의 레벨로 Mg로 도핑될 수 있으며, 약 5나노미터 내지 약 1마이크로미터 사이, 약 20나노미터 내지 약 400나노미터 사이, 또는 약 100나노미터 내지 약 250나노미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 흡수 층에 가장 가까운 p-타입 층의 Mg의 농도는 1018cm-3 내지 1021cm-3 사이, 3×1018cm-3 내지 3×1020cm-3 사이, 또는 1019cm-3 내지 2×1020cm-3 사이이다. 압전 필드가 효율적인 캐리어 수집을 위해 보다 효율적으로 스크리닝될 수 있도록, 기판(105)이 (0001)+c-면 방향을 가지는 경우, 높은 도핑 레벨이 특히 바람직할 수 있다. p-타입 층의 최외곽의 1-30나노미터는 개선된 전기 접점을 가능하게 하기 위해서 그 층의 나머지 부분보다 더 많이 도핑될 수 있다. 특정 실시예에서, p-타입 도핑된 층의 증착 동안 기판 온도는 변화한다. 특정 실시예에서, 기판 온도는, p-타입 도핑된 층의 제1 부분에 대해, 예를 들어, 흡수 층이 증착되는 온도와 같은 온도, 예로써 섭씨 약 700 내지 약 950도 사이의 낮은 값으로 유지된다. 그 다음에 기판 온도는, p-타입 도핑된 층의 제2 부분에 대해, 예를 들면, 섭씨 약 750 내지 약 1000도 사이의 보다 높은 레벨로 상승된다. 특정 실시예에서, p-타입 도핑된 층의 제1 부분의 두께는 약 1나노미터 내지 약 20나노미터 사이, 또는 약 20나노미터 내지 40나노미터 사이이다.
특정 실시예에서, p-타입 층(111)의 상부에 터널 접합 및 또 다른 n-타입 층이 증착된다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 추가적인 비흡수 층 및 추가적인 흡수 층이 터널 접합 위에 증착된다.
반도체 층은 n-타입 제1 비흡수 층(105), 흡수 층(107), 하나 이상의 선택적 p-타입 제2 비흡수 층(109), p-타입 층(111)을 포함하고, 또한 추가적인 흡수 층, 하나 이상의 n-타입 클래딩 층, 및 하나 이상의 p-타입 클래딩 층을 포함할 수 있으며, 기판(101)의 표면(102)의 결정학적 방향의 약 2도 이내, 약 1도 이내, 또는 약 0.5도 이내로 동일한 결정학적 방향을 가지고, 매우 높은 결정질(crystalline quality)을 가지며, 질소를 포함하고, 그리고 109cm-2 미만의 표면 전위 밀도를 가질 수 있다. 반도체 층은 108cm-2 미만, 107cm-2 미만, 106cm-2 미만, 105cm-2 미만, 104cm-2 미만, 103cm-2 미만, 또는 102cm-2 미만의 표면 전위 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 층은 약 700nm 내지 약 3077nm 사이의 파장 및 약 3333nm 내지 약 6667nm 사이의 파장에서 100cm-1 미만, 50cm-1 미만 또는 5cm-1 미만의 광 흡수 계수를 가지며, 실질적으로 투명하다.
특정 실시예에서, 반도체 층은 m-면의 5도 이내의 방향을 가지며, 상부 표면의 1-100 x선 로킹 커브의 FWHM은 300아크초 미만, 100아크초 미만, 또는 50아크초 미만이다. 또 다른 특정 실시예에서, 반도체 층은 a-면의 5도 이내의 방향을 가지며, 상부 표면의 11-20 x선 로킹 커브의 FWHM은 300아크초 미만, 100아크초 미만, 또는 50아크초 미만이다. 또 다른 특정 실시예에서, 반도체 층은 {1 -1 0 ±1}, {1 -1 0 ±2}, {1 -1 0 ±3}, {2 0 -2 ±1}, {3 0 -3 ±1}, 또는 {1 1 -2 .+-.2}로부터 선택된 반극성 방향의 5도 이내의 방향을 가지며, 상부 표면의 최저차(lowest-order) 반극성 대칭 x선 로킹 커브의 FWHM은 300아크초 미만, 100아크초 미만, 또는 50아크초 미만이다. 또 다른 특정 실시예에서, 반도체 층은 (0001) c-면의 5도 이내의 방향을 가지며, 상부 표면의 0002 x선 로킹 커브의 FWHM은 300아크초 미만, 100아크초 미만, 또는 50아크초 미만이다. 또 다른 특정 실시예에서, 반도체 층은 (000-1) c-면의 10도 이내의 방향을 가지며, 상부 표면의 0002 x선 로킹 커브의 FWHM은 300아크초 미만, 100아크초 미만, 또는 50아크초 미만이다.
특정 실시예에서, 공정 개선 목적을 위해, 위에 설명된 층 중 하나 이상이 없는 구조를 제조하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, p-타입 GaN 층 및 흡수 층은, 후술하는 바와 같이, 반사성 p-타입 전기 접점을 개선 또는 최적화하기 위해 생략될 수 있다. p-타입 접촉 층 및 p-타입 층 중 하나 이상은 흡수 층의 전기적, 광학적 및 물질적 특성을 개선 또는 최적화하기 위해 생략될 수 있다.
반도체 층의 결정학적 방향과 도핑 및 밴드갭 프로파일은 포토다이오드의 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 헤테로구조를 포함하는 +c-면 GaN계 디바이스의 경우, Ga-N 결합의 강한 극성 및 우르츠광 결정 구조의 반전 대칭 부족으로 인해, 자발 및 압전 분극이, 좋지 않은 디바이스 성능을 초래할 수 있는 강한 전계를 생성할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 본 발명자들은 이러한 필드가 특히 고전류 밀도에서 포토다이오드 구조의 성능에 부정적으로 영향을 미칠 수 있음을 발견하고, 이러한 효과를 해결하기 위한 몇가지 접근법을 확인하여 여기에 개시했다.
+c-면 기판의 사용, 즉, 결정학적 방향이 (0001)의 5도 이내, 2도 이내, 1도 이내, 또는 0.5도 이내인 경우, 고출력 포토다이오드 구조 및 포토다이오드에 대해, 1) 대면적의 에피 준비(epi-ready) 기판에 대한 보다 확장된 상업적 공급망, 2) 잘 확립되어 있고, 안정된 에피택시 성장 조건, 및 3) 많은 자릿수에 걸쳐 도펀트 농도를 제어하는데 있어서의 상대적 용이함을 포함하는 몇 가지 이점을 가진다. 그러나, 아래의 비교예에서 나타내지는 바와 같이, 비교적 표준적인 LED 타입 구조의 사용은 높은 충전율을 가지는 포토다이오드를 가능하게 하지 않을 수 있다.
특정 실시예에서, 흡수 층에서 In 퍼센트가 증가됨에 따라 점진적으로 더 심각해지는 +c-면 포토다이오드에서의 자발 및 압전 필드의 유해 효과는, 흡수 층의 n-측 및 p-측 양방에 높은 도핑 레벨을 사용함으로써 완화된다. 고전류 밀도에서 포토다이오드 성능에 밴드갭 정렬과 자발 및 압전 필드가 미치는 영향이 조사되었다. 포토다이오드 성능의 분석에 사용된 반도체 층이 도 7에 개략적으로 보여진다. 흡수 층(730)은 n-타입 도핑된 층(710) 및 p-타입 도핑된 층(750) 사이에 위치된다. 선택적으로, n-타입 클래딩 층(720)이 n-타입 도핑된 층(710)과 흡수 층(730) 사이에 개재된다. 선택적으로, p-타입 클래딩 층(740)이 흡수 층(730)과 p-타입 도핑된 층(750) 사이에 개재된다. 단순화하기 위해, 흡수 층(730)은 40나노미터의 두께를 가지는 이중 헤테로구조로서 모델링되었지만, 흡수층이 다중 양자 우물(MQW) 구조로 구성되거나 이를 포함하는 경우, 유사한 효과가 예상된다.
약 473나노미터 이하의 파장을 가지는 광의 흡수에 적합한, In0.18Ga0.82N을 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 흡수 층의 경우, 단락 전류 및 충전율은, 도 8a에 보여지는 바와 같이, 흡수 층의 제1 측과 접촉하는 n-타입 층의 도핑 레벨이 2.0×1019cm-3이고 흡수 층의 제2 측과 접촉하는 p-타입 층의 도핑 레벨이 2.0×1019cm-3일 때, 매우 낮다. 이러한 매우 열악한 성능은, 도 8b에 보여지는 바와 같이, InGaN 및 GaN 사이의 분극화 불연속성(polarization discontinuity) 및 밴드 오프셋(band offset)과 관련된 전계의 나쁜 스크리닝으로 인한 것으로 생각된다. 그러나, 흡수 층의 제1 측과 접촉하는 n-타입 층의 도핑 레벨이 3.5×1019cm-3로 상승되고, 흡수 층의 제2 측과 접촉하는 p-타입 층의 도핑 레벨이 6.0×1020cm-3로 상승되었을 때, 도 9a에 보여지는 바와 같이, 조명된 I-V 성능은 훨씬 더 낫다. 이렇게 크게 개선된 성능은, 도 9b에 보여지는 바와 같이, 흡수 층에서 그리고 GaN-InGaN 계면의 바로 근처에서 전계의 스크리닝이 훨씬 더 낫기 때문이다. 도 15에 예시된 표에 보여지는 바와 같이, 충전율(FF)의 개선은 흡수 층과 접촉하는 양 층의 도핑 레벨을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 특히, 90% 보다 높은 충전율은 약 3.5×1019cm-3 이상의 농도로 n-타입 도핑된 층의 도핑 및 약 2.0×1020cm-3 이상의 농도로 p-타입 층에서의 활성화된 도핑 레벨에 의해 달성될 수 있다.
일부 실시예에서, 포토다이오드 구조는 n-타입 층, 적어도 하나의 흡수 층, 및 p-타입 층을 포함하며, 그 각각은 107cm-2 미만의 스레딩 전위 밀도를 가진다. 또한 포토다이오드 구조는 (000-1)-c-면으로부터 2도 내지 5도 사이만큼 차이가 있는 결정학적 방향을 가지는 하나 이상의 흡수 층, n-타입 층, 및 p-타입 층을 포함할 수 있다. 또한 포토다이오드 구조는 {10-10}m-면의 5도 이내의 결정학적 방향을 가지는 하나 이상의 흡수 층, n-타입 층, 및 p-타입 층을 포함할 수 있으며, n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 4×1018cm-3의 도펀트 농도로 특징지어진다. 또한 포토다이오드 구조는 {10-1-2}, {10-1-1}, {20-2-1}, 및 {30-3-1}로부터 선택된 반극성면의 5도 이내의 결정학적 방향을 가지는 하나 이상의 흡수 층, n-타입 층, 및 p-타입 층을 포함할 수 있으며, n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 2×1018cm-3의 도펀트 농도로 특징지어진다.
도 15는 도 7에 개략적으로 나타낸 구조를 가지는 InGaN/GaN 포토다이오드 구조의 조명된 I-V 성능 특성을 포함한다. 단순화하기 위해, 흡수 층은 40나노미터 두께의 이중 헤테로구조로 모델링되었다.
약 435나노미터 이하의 파장을 가지는 광의 흡수에 적합한, In0.12Ga0.88N을 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 흡수 층의 경우, 충전율은 흡수 층의 제1 측과 접촉하는 n-타입 층의 도핑 레벨이 2.0×1019cm-3이고 흡수 층의 제2 측과 접촉하는 p-타입 층의 도핑 레벨이 8.0×1018cm-3일 때, 60% 미만이다. 그러나, 흡수 층의 제2 측과 접촉하는 p-타입 층의 도핑 레벨이 2.0×1019cm-3로 상승되었을 때, 충전율은 거의 80%로 상승되며, 흡수 층의 제2 측과 접촉하는 p-타입 층의 도핑 레벨이 1.0×1020cm-3로 더 상승되었을 때, 충전율은 약 93%로 상승된다. 도 15의 표의 결과는, p-타입 도핑된 층의 도핑 레벨에 비해, 흡수 층에 인접한 클래딩 층의 도핑 레벨이 감소되는 경우, 충전율이 상당히 감소되는 것을 보여준다. 이 결과는 도핑되지 않은 흡수 층의 증착까지 계속 전체 도핑을 달성하기 어려울 수 있으므로, 도핑 프로파일의 급격한 전이를 발생시키고, 섭씨 950도 미만의 온도에서 증착된 도핑되지 않은 흡수 층으로부터, 원하는 도핑 레벨을 가지는, 확실히 더 높은 온도에서 증착되는 p-타입 도핑된 층으로 즉시 전환하기 때문에 중요하다. 그러나, 도 15의 표에도 보여지는 바와 같이, 충전율(FF)의 개선은 또한 흡수 층의 n-타입 측 및 p-타입 측 중 하나 또는 양방에 도핑된 클래딩 층을 도입함으로써, 특히, 클래딩 층이 흡수층과 n-타입 도핑 층 및/또는 p-타입 도핑 층의 사이에 중간 인듐 농도를 가질 때, 달성될 수 있다. 클래딩 층의 중간 인듐 농도는 균일하거나, 연속적으로 변화되거나, 또는 단계적으로 변화될 수 있다. 클래딩 층은 응력 초격자를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 포토다이오드 구조는 n-타입 클래딩 층 및 p-타입 클래딩 층 중 적어도 하나를 포함하며, 여기서 n-타입 클래딩 층은 n-타입 층과 하나 이상의 흡수 층 사이에 위치하며, n-타입 클래딩 층은 적어도 2×1019cm-3의 도펀트 농도를 가지고, 그리고 p-타입 클래딩 층은 하나 이상의 흡수 층과 p-타입 층 사이에 위치하며, p-타입 클래딩 층은 적어도 5×1019cm-3의 도펀트 농도를 가진다.
특정 실시예에서, +c-면 포토다이오드에서 자발 및 압전 필드의 유해 효과는 (000-1)의 6도 이내, 5도 이내, 4도 이내, 3도 이내, 2도 이내, 또는 1도 이내와 같은 10도 이내인 결정학적 방향을 가지는 -c-면 기판의 사용에 의해 완화된다. 특정 실시예에서, 기판 및 반도체 층은 (000-1)로부터 2도 내지 5도 사이만큼 차이가 있는 결정학적 방향을 가진다. 특정 실시예에서, 기판 및 반도체 층은 (000-1)로부터 <10-10> m-방향으로 어긋나 배향된다. 특정 실시예에서, 기판 및 반도체 층은 (000-1)로부터 <11-20> a-방향으로 어긋나 배향된다. 도 15의 표를 다시 참조하면, 흡수 층에 바로 인접해 있는, n-타입 도핑된 층 및 p-타입 도핑된 층에서 1.0×1016cm-3 또는 1.0×1017cm-3 또는 1.0×1018cm-3의 도핑 농도는 흡수 층이 12% 및 18%의 인듐 농도인 양방에 대해 높은 충전율을 달성하기에 충분하다는 것이 발견되었다. 기판 및 반도체 층 각각이 -c 결정학적 방향을 가지는 경우에, n-타입 도핑된 층 및 p-타입 도핑된 층의 도핑 농도가, 8% 보다 높은 흡수체 인듐 농도에 대해, 1.0×1016cm-3 내지 1.0×1020cm-3 사이이면, 85% 보다 높은 충전율이 달성될 수 있다고 생각된다. 일례로서, 포토다이오드 구조는 적어도 10Acm-2의 전류 밀도를 발생시키는 조도 레벨에서 적어도 50%의 충전율로 특징지어진다.
특정 실시예에서, +c-면 포토다이오드에서 자발 및 압전 필드의 유해 효과는, m-면 기판의 사용에 의해, 즉, 결정학적 방향이 (10-10)의 5도 이내, 2도 이내, 1도 이내, 또는 0.5도 이내인 방향으로 완화된다. 도 15의 표를 다시 참조하면, 흡수 층에 바로 인접해 있는, n-타입 도핑된 층 및 p-타입 도핑된 층에서 2.0×1019cm-3의 도핑 농도는, 흡수 층이 12% 및 18%의 인듐 농도인 양방에 대해 90% 보다 높은 충전율을 달성하기에 충분하다는 것이 발견되었다.
특정 실시예에서, +c-면 포토다이오드에서 자발 및 압전 필드의 유해 효과는 {20-2-1} 또는 {30-3-1}의 5도 이내, 2도 이내, 1도 이내, 또는 0.5도 이내인 결정학적 방향을 가지는 반극성 기판의 사용에 의해 완화된다. 도 15의 표를 다시 참조하면, 흡수 층에 바로 인접해 있는, n-타입 도핑된 층 및 p-타입 도핑된 층에서 8.0×1018cm-3의 도핑 농도는, 흡수 층이 12% 및 18%의 인듐 농도인 양방에 대해 약 90% 보다 높은 충전율을 달성하기에 충분하다는 것이 발견되었다.
특정 실시예에서, N-극성 또는 반극성 InGaN 층의 탄소 함유량을 줄이기 위해, 보다 관습적인 트리메틸 갈륨(TMG) 및 트리메틸인듐(TMIn)보다는 금속유기 전구체로서 트리에틸갈륨(TEG) 및 트리에틸인듐(TEIn)이 사용된다. 예를 들어, 반도체 층의 탄소 농도는 1×1018cm-3 미만 또는 1×1017cm-3 미만일 수 있다. 특정 실시예에서, 수소(H2)와 질소(N2) 캐리어 가스의 비율, 기판 온도 및 압력은 N-극성 반도체 층에서 힐록(hillock)의 형성을 최소화하도록 최적화된다.
특정 실시예에서, 반도체 층은 p-타입 도펀트를 전기적으로 활성화시키도록 어닐링된다. 특정 실시예에서, 어닐링은, 예를 들어, 섭씨 약 500도 내지 약 900도 사이의 온도로 흐르는 N2 하에서, 반도체 층을 증착하도록 사용되는 MOCVD 리액터에서 현장에서 수행된다. 특정 실시예에서, 어닐링은, 예를 들어, 섭씨 약 400도 내지 약 900도 사이의 온도로 흐르는 N2 하에서, 노(furnace) 또는 급속 열 어닐링(RTA; rapid thermal annealing) 오븐에서 수행된다. 특정 실시예에서, 어닐링 공정 중의 분위기는 O2와 같은 산화 가스를 포함할 수도 있다. 특정 실시예에서, 어닐링 분위기 내의 산화 가스의 비는 약 5% 내지 약 95% 사이이다. 특정 실시예에서, 어닐링 공정의 기간은 약 1초 내지 약 5시간 사이, 또는 약 10초 내지 약 1시간 사이이다. 특정 실시예에서, 어닐링 후, 반도체 층의 표면은 추가적인 증착을 위해 세정된다. 특정 실시예에서, 세정은 염산, 질산, 또는 왕수(aqua regia)와 같은 무기산에 의한 처리, 피라나 에칭(piranha etch), BOE(buffered oxide etch), 건식 에칭, 또는 아르곤 플라즈마와 같은 플라즈마를 이용한 처리 중 하나 이상을 포함하거나 이로 구성된다.
특정 실시예에서, 투명 전도성 층이 p-타입 반도체 층에 증착된다. 특정 실시예에서, 투명 전도성 층은 ITO(indium tin oxide) 또는 AZO(aluminum zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(TCO)을 포함한다. 특정 실시예에서, 투명 전도성 층은 열 증착, 전자빔 증착, 및 스퍼터링 중 하나 이상에 의해 증착된다. 특정 실시예에서, 증착된 TCO 층은, TCO 층의 광학/투명도 및 전기적 특성을 함께 최적화시키기 위해, 섭씨 약 300 내지 700도 사이의 온도에서 산소를 함유하는 제어된 분위기에서 어닐링된다. 특정 실시예에서, 투명 전도성 층은 약 10나노미터 내지 약 1000나노미터 사이의 두께를 가진다.
본 개시에서 설명된 포토다이오드 구조는 다중 반사 기하학적 구조를 가지는 패키지 포토다이오드에 사용하기 위한 것이다. 이에 따라, 그 구조의 앞면 및 뒷면의 반사율을 최대화하는 것이 중요하다. 또한, 포토다이오드의 효율을 최대화하기 위해서, 접점의 전기 저항을 최소화하는 것이 중요하다. 도 1을 다시 참조하면, 반사성 p-측 전기 접점(113)이 그 다음에 p-타입 반도체 층(111)에 증착될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 반사성 p-측 전기 접점의 평균 반사율은 동작 중에 광이 입사하는 특정 각도 또는 각도 범위에서 70%, 80%, 85%, 또는 90% 보다 높다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "평균 반사율(average reflectivity)"은 디바이스 동작 중 입사 각도의 범위를 나타내는 층의 표면에 대해서 하나 이상의 각도로 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 특정 파장에서 표면 상의 적어도 두 개의 반사율 측정 데이터 포인트를 평균함으로써 계산되는 반사율 값을 광범위하게 설명하기 위한 것이다. 포토다이오드 구조의 동작 중에, 일부 실시예에서, 광(또는 광 방사선)은 포토다이오드 구조의 수직 에지(vertical edge), 또는 대략 수직 에지에 커플링되고, 내부적으로 반사 층(예로써, 도 2의 반사 미러 층(113) 또는 n-측 전기 접점(114))에 대한 광의 입사각은 반사 층의 면으로부터 측정할 때 약 0.1 내지 약 30도 사이, 약 0.2 내지 약 20도 사이, 또는 약 0.3 내지 약 10도 사이이다. 일례로서, 도 2에 도시되는 수광 표면(252)은 포토다이오드 구조의 수직 에지 또는 포토다이오드 구조 내의 수직면으로 배향된다. 포토다이오드 구조의 일부 실시예에서, 광은 포토다이오드 구조의 비수직 에지에 커플링되고, 내부적으로 반사 층에 대한 입사각은 반사 층의 면으로부터 측정할 때 약 0.1 내지 약 60도 사이, 약 0.2 내지 약 40도 사이, 또는 약 0.3 내지 약 20도 사이이다. 포토다이오드 구조의 다른 실시예에서, 광은 개구를 통해 포토다이오드 구조의 대면적 표면에 커플링되고, 내부적으로 반사 층에 대한 입사각은 반사 층의 면으로부터 측정할 때 약 30 내지 90도 사이, 약 45 내지 90도 사이, 또는 약 60 내지 90도 사이이다. 포토다이오드 구조의 또 다른 실시예에서, 광은 개구를 통해 포토다이오드 구조의 대면적 표면에 커플링되고 비스듬한 각도로 내부 반사를 겪으며, 내부적으로 반사 층에 대한 입사각은 반사 층의 면으로부터 측정할 때 약 0.1 내지 약 45도 사이, 약 0.3 내지 약 30도 사이, 또는 약 0.5 내지 약 20도 사이이다. 반사성 p-측 전기 접점의 접촉 저항은 3×10-3Ωcm2 미만, 1×10-3Ωcm2 미만, 5×10-4Ωcm2 미만, 2×10-4Ωcm2 미만, 10-4Ωcm2 미만, 5×10-5Ωcm2 미만, 2×10-5Ωcm2 미만, 또는 10-5Ωcm2 미만이다. 바람직한 실시예에서, 접촉 저항은 5×10-5Ωcm2 미만이다. 반사성 p-측 전기 접점은 은, 금, 알루미늄, 니켈, 백금, 로듐, 팔라듐, 티타늄, 크롬, 게르마늄, 루테늄, 마그네슘, 스칸듐 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 반사성 p-측 전기 접점은 적어도 두 개의 층을 포함하거나 이로 구성될 수 있으며, 제1 층은 좋은 전기 접점을 제공하고 백금, 니켈, 알루미늄, 또는 티타늄을 포함하며, 0.1 내지 5나노미터 사이의 두께를 가지고, 제2 층은 우수한 광학 반사율을 제공하고 은, 금, 또는 니켈을 포함하며 0.4나노미터 내지 1마이크로미터 사이의 두께를 가진다. 특정 실시예에서, 반사성 p-타입 접점은 적어도 3개의 층, 적어도 4개의 층, 또는 적어도 5개의 층을 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 반사성 p-측 접점은 3개의 층을 포함하며, 제1 층은 은을 포함하고 약 1나노미터 내지 약 200나노미터 사이의 두께를 가지고, 제2 층은 적정 친산소성(oxophilic) 금속을 포함하고 약 0.5나노미터 내지 약 2나노미터 사이의 두께를 가지며, 제3 층은 은을 포함하고 약 50나노미터 내지 약 200나노미터 사이의 두께를 가진다. 특정 실시예에서, 적정 친산소성 금속은 니켈을 포함하거나 이로 구성된다. 특정 실시예에서, 적정 친산소성 금속은 구리, 코발트, 철, 및 망간 중 하나 이상을 포함하거나 이로 구성된다. 특정 실시예에서, 반사성 p-측 전기 접점은 그 반사율을 개선하고 그리고/또는 그 접촉 저항을 줄이기 위해 증착 후 어닐링된다. 특정 실시예에서, 어닐링은 섭씨 약 300도 내지 약 1000도 사이의 온도로 RTA 노에서 수행된다. 특정 실시예에서 반사성 p-측 접점은, 적정 친산소성 금속 및 은 간의 상호 확산(interdiffusion)을 일으키고 반사성 p-측 접촉 층으로의 제어된 산소 원자의 농도를 도입하기 위해서, 약 0.1토르 내지 약 200토르 사이의 부분 압력에서 산소를 함유하는 제어된 분위기에서 섭씨 약 500 내지 약 900도 사이의 온도로 어닐링된다. 바람직한 실시예에서, 산소의 부분 압력은, 과도한 산화은의 형성을 막기 위해, 반사성 p-측 접점을 섭씨 약 250도의 온도 아래로 냉각시키기 전에, 약 10-4토르 미만으로 감소된다. 특정 실시예에서, 반사성 p-측 접점은 약 1×1020cm-3 내지 약 7×1020cm-3 사이의 최대 국부 농도를 가지는 산소를 포함한다. 보다 자세한 사항은 미국 특허 제9,917,227호에 기술되어 있으며, 그 전체가 참조로 여기에 포함된다. 반사성 p-측 전기 접점은 열 증착, 전자빔 증착, 스퍼터링, 또는 또 다른 적합한 기술에 의해 증착될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 반사성 전기 접점은 파워 포토다이오드의 p-측 전극으로 쓰인다. 특정 실시예에서, 반사성 p-측 접점은 평면이며 반도체 층에 평행하고, 이는 그 반사율을 최대화하는데 유용할 수 있다. 다른 실시예에서, 반사되는 p-측 접점은 패턴화되거나 텍스처드(textured)되며, 이는 예를 들면 개구 내에서 광을 받아들이거나 추출하는데 유용할 수 있다.
특정 실시예에서, 특정 반사 표면의 반사율 측정은 적어도 두 개의 샘플 타입을 준비하여 수행될 수 있으며, 하나는 반사 표면이 그대로 둔 채로 있고, 다른 하나는 반사 표면이 제거되었다. 양 샘플은 측정 프로브 광이 제1 표면을 통해서 저반사율로 커플링되고, 측정될 반사 표면에 대응하는 제2 표면으로부터 반사 및 굴절을 겪으며, 제3 표면을 통해서 낮은 내부 반사율로 커플링되어 나가도록 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로브 광의 파장에 맞춰진 유전체 반사 방지 코팅 적용에 의해 제1 및 제3 표면에서의 반사는 최소화된다. 제1 및 제3 표면에서의 반사는 광이 거의 수직 입사로 제1 및 제3 표면을 통해서 전송되도록 샘플을 제작함으로써 더 감소될 수 있다. 제3 표면 및 반사 표면에 대응하는 표면으로부터 전송된 광 파워가 양 샘플 타입에 대해 측정되어, 종래에 잘 알려져 있는 방법에 따라 반사 표면의 반사율을 계산하도록 이용된다.
특정 실시예에서, 약 70% 보다 높은 평균 반사율을 가지는 반사성 n-측 전기 접점(114)이 기판(101)의 뒷면에 증착된다. 바람직한 실시예에서, 반사성 n-측 전기 접점의 평균 반사율은 동작 중에 광이 입사하는 특정 각도 또는 각도 범위에서 80%, 85%, 또는 90% 보다 높다. 반사성 n-측 전기 접점의 접촉 저항은 1×10-3Ωcm2 미만, 5×10-4Ωcm2 미만, 2×10-4Ωcm2 미만, 10-4Ωcm2 미만, 5×10-5Ωcm2 미만, 2×10-5Ωcm2 미만, 또는 10-5Ωcm2 미만이다. 바람직한 실시예에서, 접촉 저항은 5×10-5Ωcm2 미만이다. 반사성 n-측 전기 접점은 은, 금, 알루미늄, 니켈, 백금, 로듐, 팔라듐, 티타늄, 크롬 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 반사성 n-측 전기 접점은 적어도 두 개의 층을 포함하거나 이로 구성될 수 있으며, 제1 층은 좋은 전기 접점을 제공하고 알루미늄 또는 티타늄을 포함하며 0.1 내지 5나노미터 사이의 두께를 가지고, 제2 층은 우수한 광학 반사율을 제공하고 알루미늄, 니켈, 백금, 금, 또는 은을 포함하며 10나노미터 내지 10마이크로미터 사이의 두께를 가진다. 특정 실시예에서, 반사성 n-측 접점은 반사율(최대화), 접촉 저항(최소화), 및 강건성(최대화)을 함께 최적화시키기 위해, 적어도 3개의 층, 적어도 4개의 층, 또는 적어도 5개의 층을 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 반사성 n-측 전기 접점은 열 증착, 전자빔 증착, 스퍼터링, 또는 또 다른 적합한 기술에 의해 증착될 수 있다. 특정 실시예에서, 반사성 전기 n-측 접점은 파워 포토다이오드의 n-측 전극으로 쓰인다. 특정 실시예에서, 반사성 n-측 접점은 평면이며 반도체 층에 평행하고, 이는 그 반사율을 최대화하는데 유용할 수 있다. 다른 실시예에서, 반사되는 n-측 접점은 패턴화되거나 텍스처드되며, 이는 예를 들면 개구 내에서 광을 받아들이거나 추출하는데 유용할 수 있다.
특정 실시예, 특히 반사성 n-측 접점이 알루미늄을 포함하는 실시예에서, 반사성 n-측 접점의 접촉 저항을 줄이기 위해서, 기판(101)의 뒷면은 염소 함유 가스 또는 플라즈마를 이용하는 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 처리된다. 하나의 특정 실시예에서, 염소 함유 가스 또는 플라즈마는 SiCl4를 포함한다. 특정 실시예에서, 반사성 n-측 접점의 접촉 저항을 줄이기 위해서, 추가의 세정 스텝이 수행된다. 특정 실시예에서, 추가의 세정 스텝은 염산, 질산, 또는 왕수와 같은 무기산에 의한 처리, BOE(buffered oxide etch), 건식 에칭, 또는 아르곤 플라즈마와 같은 플라즈마를 이용한 처리 중 하나 이상을 포함하거나 이로 구성된다.
일부 실시예에서, 도 2에 보여지는 바와 같이, 반사성 p-측 전기 접점은 불연속 p-전극(215) 및 반사 미러 층(113)을 포함하는 2성분 미러/p-전극을 포함한다. 불연속 p-전극(215)은 전기 접점으로 최적화되며, 예를 들면, 니켈/금, 또는 백금/금 스택으로 이루어질 수 있으며, 여기서 니켈, 또는 백금은 약 20 내지 200nm의 두께이며, 금은 약 100nm 내지 1미크론의 두께이다. 하나의 적합한 실시예에서, 불연속 p-전극(215)은 일측에 약 1미크론 내지 0.1cm 사이의 그리드 개구를 가지는 격자형 전극이다. 반사 미러 층(113)은 은, 금, 알루미늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 크롬 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, p-타입 층(111) 및 격자형 p-전극(215) 위에 증착될 수 있다. 바람직하게는, 이 미러 층은 상호 확산을 줄이기 위해 불연속 p-전극의 임의의 어닐링 처리 후에 증착된다. 선택적으로, 니켈, 로듐, 백금, 팔라듐, 이리듐, 루테늄, 레늄, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈룸, 또는 MCxNyOz(여기서 M은 알루미늄, 붕소, 실리콘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 이트륨, 지르코늄, 란타늄, 또는 희토류 금속과 같은 금속 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0 내지 3 사이임)와 같은 확산 장벽 층은, 불연속 p-전극(215)과 미러 층(113) 사이에 배치된다. 동작 전류 밀도가 10A/cm2이고, p-타입 층에 대해 시트 저항이 4×105Ω/sq이며, 전류는 p-타입 층으로부터 격자형, 불연속 p-전극 접점(215)으로만 전도되고 반사 미러 층(113)으로는 직접 전도되지 않는다고 가정하면, p-타입 층 내의 측면 전도로 인한 계산된 퍼센트 전력 손실은 2, 5, 및 10미크론 그리드 핑거(grid finger) 간격에 대해, 각각, 대략 0.6, 3.6, 및 14.5%이다. 그리드 구성 대신에, 불연속 p-전극(215)은 대안적으로 점, 직사각형, 원 등의 어레이로 배열될 수 있다. p-전극 어레이 요소(215) 간의 간격은 바람직하게는 약 1미크론 내지 0.1cm 사이이다. 반사 금속 p-전극 또는 반사 미러 층과 불연속 전극의 조합의 사용은 장거리에 걸쳐 p-도핑된 층을 통해 측면 캐리어 수송을 필요로 하지 않고 대면적 파워 포토다이오드의 제조를 가능하게 하여, 디바이스의 측면 저항 손실 및 직렬 저항을 최소화한다. 불연속 p-전극에 의한 기생 광 흡수는, 불연속 p-전극 패턴에 대한 광 입사가 대부분 회피되도록, 전극 패턴을 설계하고 광 전파 경로를 배향함으로써 최소화될 수 있다.
포토다이오드 구조는 p-타입 층 위에 배치되는 p-측 전기 접촉 층을 포함할 수 있으며, 여기서 p-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 파장에 대해 동작 중에 광이 입사하는 특정 각도 또는 각도 범위에서 적어도 80%의 평균 반사율 및 1×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가진다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 개시에서 설명된 포토다이오드 구조는 다중 반사 기하학적 구조를 가지는 패키지 포토다이오드에 사용하기 위한 것이다. 일부 실시예에서, 동작 중에 패키지 포토다이오드는 조명원(251)으로부터 하나 이상의 파장의 광을 수신하도록 구성된다. 조명원(251)은 레이저 또는 다른 유용한 방사원(radiation source)을 포함할 수 있다. 포토다이오드의 전력 효율을 최적화하기 위해, 그 구조의 앞면과 뒷면의 반사율을 최대화하고, 싱귤레이션 후에 개별 포토다이오드 다이의 측면도 반사율을 최대화하는 것이 중요하다. 또한, 접점의 전기 저항을 최소화하고, 포토다이오드의 수광 표면(252)의 배열을 반사 접점 구조(예로써, 반사성 p-측 접점 및 반사성 n-측 접점)에 구성하는 것이 중요하다. 도 2를 다시 참조하면, 원하는 파장, 예를 들면, 405나노미터 또는 450나노미터의 광은 수광 표면(252)을 포함하는 개구(미도시)를 통해서 포토다이오드 구조에 들어가고, 기판(101) 및 반도체 층 내에서 전파되고(253), 반사성 p-측 접점(113) 및 반사성 n-측 접점(114)으로부터 그리고 에지 반사기(미도시)로부터 반사될 수 있다. 수광 표면(252)은 일반적으로, 도 2에 보여지는 바와 같이, 조명원(251)으로부터 방출된 방사를 p-타입 반사 접점(113)과 n-타입 반사 접점(114) 사이에 배치된 포토다이오드 영역에 제공하도록 위치되고 정렬되는 포토다이오드 디바이스(또는 포토다이오드 다이)의 일부를 포함한다. 일부 실시예에서, 수광 표면(252)은, 도 2에 개략적으로 보여지는 바와 같이, 포토다이오드 디바이스의 에지 상의 영역을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 수광 표면(252)은 p-타입 반사 접점(113) 또는 n-타입 반사 접점(114)을 각각 형성하는데 사용되는 물질 부분을 포함하지 않는, 표면(255 또는 256) 중 하나의 개방 영역(open region)을 포함할 수 있다. 이 구성에서, 개방 영역은 조명원(251)으로부터 방출된 방사가 p-타입 반사 접점(113)과 n-타입 반사 접점(114) 사이에 배치된 포토다이오드 영역에 들어갈 수 있도록 설계된다. 일부 실시예에서, 수광 표면(252)은 포토다이오드 디바이스에 대해 정렬되어, 조명원(251)으로부터 전달되는 광이 p-타입 반사 접점(113)과 n-타입 반사 접점(114) 사이에 적어도 한번 반사되게 한다. 조명원(251)으로부터 전달되는 광은, 예를 들면, 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장을 가질 수 있다.
특정 실시예에서, 도 2에 또한 보여지는 바와 같이, 반사성 n-측 전기 접점은 불연속 n-전극(217) 및 반사 미러 층(114)을 포함하는 2성분 미러/n-전극을 포함한다. 불연속 n-전극(217)은 전기 접점으로서 최적화되며, 예를 들면, 티타늄/알루미늄 또는 티타늄/알루미늄/금 스택으로 이루어질 수 있으며, 여기서 티타늄은 약 5 내지 200nm의 두께이며, 알루미늄 또는 금은 약 100nm 내지 1미크론의 두께이다. 하나의 적합한 실시예에서, 불연속 n-전극(217)은 일측에 약 1마이크로미터 내지 1센티미터 사이의 그리드 개구를 가지는 격자형 전극이다. 동작 전류 밀도가 10A/cm2이고, n-타입 GaN 기판에 대해 시트 저항이 0.27Ω/sq이라고 가정하면, 기판 층 내의 측면 전도로 인한 계산된 퍼센트 전력 손실은 0.2, 0.5, 및 1cm 그리드 핑거(grid finger) 간격에 대해, 각각, 대략 0.4, 2.5, 및 9.8%이다. 특정 실시예에서, 이 구조로 준비된 싱귤레이션된 다이의 측면의 n-측 접점이 후면 n-측 접점에 더하여 또는 그 대신에 추가된다. 특정 실시예에서, n-접점 및 p-접점이, 필요에 따라 n-타입 도핑된 층 또는 p-타입 도핑된 층에 각각 트렌치를 형성한 후, 다이의 동일한 측에 추가된다. 트렌치는, 종래에 잘 알려진 바와 같이, 리소그리피 및 건식 또는 습식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 반사성 n-측 미러 층(114)은 은, 금, 알루미늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 크롬 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 기판(101)의 뒷면 및 격자형 n-전극(217) 위에 증착될 수 있다. 바람직하게는, 미러 층은 상호 확산을 줄이기 위해 불연속 n-전극의 임의의 어닐링 처리 후에 증착된다. 선택적으로, 니켈, 로듐, 백금, 팔라듐, 이리듐, 루테늄, 레늄, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈룸, 또는 MCxNyOz(여기서 M은 알루미늄, 붕소, 실리콘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 이트륨, 지르코늄, 란타늄, 또는 희토류 금속과 같은 금속 원소를 포함하며, x, y, z는 각각 0 내지 3 사이임)와 같은 확산 장벽 층은, 불연속 n-전극(217)과 미러 층(114) 사이에 배치된다. 그리드 구성 대신에, 불연속 n-전극(217)은 점, 직사각형, 원 등의 어레이로 배열될 수 있다. n-전극 어레이 요소(217) 간의 간격은 바람직하게는 약 1미크론 내지 0.1cm 사이이다. 반사 금속 n-전극 또는 반사 미러 층과 불연속 전극의 조합의 사용은 장거리에 걸쳐 기판(101)을 통해 측면 캐리어 수송을 필요로 하지 않고 대면적 파워 포토다이오드의 제조를 가능하게 하며, 이는 투명도를 최적화시키기 위해 기판(101)의 캐리어 농도가 낮거나, 또는 그것이 매우 얇은, 예를 들면, 약 100마이크로미터 미만, 약 50마이크로미터 미만, 또는 약 25마이크로미터 미만인 경우, 중요할 수 있다. 불연속 n-전극에 의한 기생 광 흡수는, 불연속 n-전극 패턴에 대한 광 입사가 대부분 회피되도록, 전극 패턴 및 광 전파 경로를 설계함으로써 최소화될 수 있다.
포토다이오드 구조는 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 파장에 대해 동작 중에 광이 입사하는 특정 각도 또는 각도 범위에서 적어도 80%의 평균 반사율 및 5×10-4Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가지는 n-측 전기 접촉 층을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 반사성 p-측 전기 접점 및 반사성 n-측 전기 접점 중 적어도 하나는 반투명 전류 확산 층(321)을 더 포함한다. 반투명 전류 확산 층(321)은 산화 니켈(NiO), 산화 니켈/금(NiO/Au), NiO/Ag, ITO(indium tin oxide), p-타입 산화 아연(ZnO), 산화 루테늄(RuO2) 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 반투명 전류 확산 층(321)은 p-타입 GaN 층(111) 또는 기판(101)에 대한 전기적 접촉, 예를 들면, 저항 거동 또는 준저항 거동을 용이하게 한다. 반투명 전류 확산 층(321)에서 광 흡수를 최소화하기 위해, 이 층은 70% 이상의 광 투과를 가지며, 바람직하게는 약 1nm 내지 약 100nm 사이인 두께를 가진다. p-타입 층에 놓인 반투명 전류 확산 층(321)에 대해 동작 전류 밀도가 10A/cm2이고 시트 저항이 25Ω/sq이라고 가정하면, 전류 확산 층 내의 측면 전도로 인한 계산된 퍼센트 전력 손실은 0.02, 0.05, 및 0.1cm 그리드 간격에 대해, 각각, 대략 0.4, 2.3, 및 9.1%이다.
일부 실시예에서, 투명 유전체(319)는 반투명 전류 확산 층(321)의 일부에 그리고 p-측 전기 접점(315) 및/또는 n-측 전기 접점(317) 사이에 배치된다. 투명 유전체는 TiO2, Ta2O5, ZrO2, SiO2, SiOx, SiNx, Si3N4, SiOxNy, Al2O3, 또는 MgF2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 투명 유전체(319)는 쿼터 웨이브 두께, 즉, 공기 중 입사 광자 파장의 1/4을 유전 매체의 굴절률로 나눈 것과 대략 동일한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 포토다이오드 구조가 405나노미터의 설계 파장 및 Ta2O5로 구성되는 투명 유전체를 가지며, 대략 2.28의 굴절률을 가지는 경우에, 투명 유전체(319)의 두께는 약 405 / 2.28 / 4 = 44나노미터로 선택될 수 있다. 투명 유전체(319)는 p-측 전기 접점 물질(315) 또는 n-측 전기 접점 물질(317)이 배치되는 개방 영역을 포함한다. p-측 전기 접점 물질(315) 및 n-측 전기 접점 물질(317)은 니켈(Ni), 산화 니켈(NiO), 티타늄-텅스텐/금(Ti-W/Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, p-측 전기 접점 물질(315) 및/또는 n-측 전기 접점 물질(317)은 투명 유전체 위로 연장되지 않는다. 반사성 p-측 전기 접점(113)은 투명 유전체 및 전기 접점 물질 위에 배치되며 여러 그리드 개구에서 전기 접점 물질(315)을 전기적으로 상호 연결한다. 반사성 n-측 전기 접점(114)은 투명 유전체 및 전기 접점 물질 위에 배치되며 여러 그리드 개구에서 전기 접점 물질(317)을 전기적으로 상호 연결한다. 반사 미러 층(113 및 114)은 또한 투명 유전체(319)와 협력하여 디바이스 내에서 광을 반사하는 반사기를 규정한다. 반사성 금속 접점의 추가 변형은 미국 특허 제7,119,372호에 기술되어 있으며, 그 전체가 참조로 여기에 포함된다.
또 다른 세트의 실시예에서, 도 13a 및 13b에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 반도체 층은 하나 이상의 캐리어 기판(1313)에 전사되어, 템플릿 기판(1101)은 제거된다. 도 3에 개략적으로 나타낸 구조와 비교하여, p-측 전기 접점은 유사하게 반투명 전류 확산 층(321) 및 불연속 p-전극(315)을 포함할 수 있고, 추가로 반투명 전류 확산 층(321)의 일부에 배치된 투명 유전체(319)를 포함할 수 있다. 그 다음에 캐리어 기판(1313)이 p-타입 층(111), 반투명 전류 확산 층(321)(존재하는 경우), 불연속 p-측 전극(315)(존재하는 경우), 및 투명 유전체(319)(존재하는 경우) 중 하나 이상에 본딩된다. 캐리어 기판(1313)의 본딩은 접착제, 캐리어 기판(1313)의 제1 표면 및 캐리어 기판(1313)이 본딩될 층 중 적어도 하나에 증착된 하나 이상의 접착 층(미도시) 사이의 열 압착 본드, 또는 종래에 알려진 대안적인 본딩 방법에 의해 달성될 수 있다. 특정 실시예에서, 캐리어 기판(1313) 및 접착 층은 포토다이오드에 대한 관심 파장에서, 예를 들면, 390나노미터 내지 460나노미터 사이에서 투명하다. 특정 실시예에서, 캐리어 기판(1313)은 유리, 투명 세라믹, 실리카 유리, 붕규산 유리, 규산 알루미늄 유리, 석영, 사파이어, MgAl2O4 스피넬, 산화 아연 또는 알루미늄 산질화물 중 하나 이상을 포함하거나 이로 구성된다. 접착 층은 SiOx, GeOx, SiNx, AlNx, GaOx, Al2O3, Sc2O3, Y2O3, B2O3, R2O3 중 하나 이상을 포함하거나 이로 구성될 수 있으며, 여기서, R은 희토류 원소, MgO, CaO, SrO, HfO2, ZrO2, Ta2O5, 또는 B, Al, Si, P, Zn, Ga, Si, Ge, Au, Ag, Ni, Ti, Cr, Zn, Cd, In, Sn, Sb, Tl, 또는 Pb, 이것들의 산화물, 질화물 또는 산질화물이다. 접착 층은 열 증착, 전자빔 증착, 스퍼터링, 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 등에 의해, 또는 증착된 금속 필름의 열산화에 의해 증착될 수 있다. 접착 층의 두께는 약 1나노미터 내지 약 10미크론 사이, 또는 약 10나노미터 내지 약 1미크론 사이일 수 있다. 접착 층(들)은, 예를 들어, 섭씨 약 300도 내지 약 1000도 사이의 온도로 어닐링될 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 접착 층은 화학적-기계적으로 연마된다. 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 접착 층의 RMS 표면 거칠기는 20 × 20 ㎛2 영역에 걸쳐 약 0.5나노미터 미만, 또는 약 0.3나노미터 미만이다. 특정 실시예에서, 열 압착 본딩은 공기 중에 입방 센티미터 당 10,000개 미만, 1,000개 미만, 100개 미만, 또는 10개 미만의 입자를 가지는 클린룸에서 수행된다. 입자는 이온화된 질소, CO2 제트, CO2 눈, 고저항성 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤 등과 같은 유기 용매를 이용한 헹굼, 브러싱, 또는 스프레잉에 의해, 웨이퍼 본딩 바로 전에 표면 중 적어도 하나로부터 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 대향하는 표면은 액체에 잠겨 있는 동안 접촉하게 된다. 선택적으로, 그 표면 중 적어도 하나는 웨이퍼 본딩을 향상시키기 위해 플라즈마에 노출된다. 열 압착 본딩 공정 중에 대향하는 표면 사이의 압력은 약 0.1메가파스칼 내지 약 100메가파스칼 사이일 수 있으며, 온도는 약 5분 내지 약 10시간의 기간 동안 섭씨 약 30도 내지 약 950도 사이, 섭씨 약 30도 내지 약 400도 사이, 또는 섭씨 약 30도 내지 약 200도 사이로 유지될 수 있다.
p-측 반사 층(1315)은 포토다이오드 구조로부터 캐리어 기판(1313)의 반대 표면에 증착된다. P-측 반사 층(1315)은, 은(silver), 유전체 미러, 및 분배 브래그 반사기(DBR) 중 하나 이상을 포함하거나 이로 구성될 수 있다. P-측 반사 층(1315)은, 예를 들면, 360나노미터 내지 460나노미터 사이의 포토다이오드의 설계 파장으로 동작 중에 광이 입사하는 특정 각도 또는 각도 범위에서 약 80%, 약 85%, 약 90%, 또는 약 95% 보다 높은 반사율을 가질 수 있다.
포토다이오드 구조는, 도 13b에 개략적으로 보여지는 바와 같이, LLO(laser lift-off) 방법에 의해 템플릿 기판(1101)으로부터 분리될 수 있다. 레이저 빔(1321)은 기판(101)의 후면 위에 래스터링될 수 있다. 특정 실시예에서, 질화물 층(1104)이 사파이어와 같은 템플릿 기판(1101)에 증착되는 경우, 자외선 레이저 빔이 질화물 층(1104)과 템플릿 기판(1101) 사이의 계면에 포커싱되어, 질화물 층(1104)의 후면의 국부적인 분해 및 N2의 마이크로 혹은 나노 버블의 형성을 야기하고, 결과적으로 나머지 포토다이오드 구조로부터 템플릿 기판(1101)의 분리를 초래할 수 있다. 특정 실시예에서, 질화물 층(1104)이 적어도 하나의 파장에서 1000cm-1 보다 큰 광 흡수 계수를 가지는 이형 층(1103)에 증착되며, 여기서 나머지 템플릿 기판(1101)이 50cm-1 미만의 광 흡수 계수를 가지고 실질적으로 투명한 경우, 이형 층(1103)이 강하게 흡수하는 파장을 가지는 레이저 빔(1321)이 이형 층(1103)에 포커싱되어, 국부적인 분해 및 N2의 마이크로 혹은 나노 버블의 형성을 야기하고, 결과적으로 나머지 포토다이오드 구조로부터 템플릿 기판(1101)의 분리를 초래할 수 있다. 고품질 에피택셜 층 또는 반도체 구조에 원치 않는 데미지를 야기하지 않고, 계면의 최적의 약화 정도가, 포토다이오드 구조의 온도, 레이저 파워, 레이저 스폿 크기, 레이저 펄스 지속 기간, 및/또는 레이저 펄스 수를 조정하여 달성될 수 있다. 분리에 영향을 미치는 레이저 플루언스는 제곱 센티미터당 300 내지 900밀리줄 사이 또는 약 400mJ/cm2 내지 약 750mJ/cm2 사이일 수 있다. 레이저 빔(1321)의 균일성은 빔 경로에 빔 균질기(homogenizer)를 포함함으로써 개선될 수 있으며, 빔 크기는 약 4mm × 4mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 빔(1321)은 고정 유지되기 보다는 이형 층을 가로질러 스캐닝 또는 래스터링된다. 분리는 분해(decomposition)에 의해 발생된 금속의 녹는 점보다 높은 온도, 예로써, 갈륨 금속의 경우 섭씨 약 30도보다 높은 온도에서 수행될 수 있다.
대안적으로, 포토다이오드 구조는, 도 13c에 개략적으로 보여지는 바와 같이, 이형 층(1103)이 InGaN을 포함하고 흡수 층보다 보다 작은 밴드갭을 가지는 경우에, 광 전기화학 에칭에 의해 템플릿 기판(1101)으로부터 분리될 수 있다. 트렌치(1321)는 반도체층 각각을 통해서 이형 층(1103)에 이르기까지 인접하는 캐리어 기판(1313) 사이에 형성되어, 메사를 형성할 수 있다. 트렌치(1321)는, 종래에 잘 알려진 바와 같이, 종래의 리소그래피에 이어서 건식 에칭 또는 습식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 그 다음에 포토다이오드 구조는 광 전기화학 에칭 용액에 침지되고, 이형 층(1103)에 의해 강하게 흡수되지만 다른 반도체 층에 의해서는 그렇지 않은 파장을 가지는 광으로 조명된다. 특정 실시예에서 에칭 용액은 수산화칼륨(KOH), 과황화칼륨(K2S2O8), 수산화나트륨(NaOH), 과산화수소(H2O2), 에틸렌 글리콜, 및 수산화테트라메틸암모늄(TMAH) 중 하나 이상을 포함한다. KOH은 0.01 내지 10몰 사이 또는 약 0.1몰 내지 약 2몰 사이의 농도를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 광원은 반도체 층에 의해 강하게 흡수되는 파장을 배제하도록 필터와 커플링된, 수은 아크 램프, 수은 크세논 램프, 텅스텐 램프, 또는 LED와 같은 광대역 소스를 포함한다. 광원의 플루언스는 약 1W/cm2 내지 약 50W/cm2 사이일 수 있다. 특정 실시예에서, 포토다이오드 구조는 에칭 용액에 침지된 별개의 캐소드를 가지고, 애노드에 전기적으로 연결되며, 트렌치(1321)의 베이스로부터 시작해서 측면으로 연장되는 이형 층(1103)의 용해를 야기하도록 전류가 통과한다. 다른 실시예에서, 광 전기화학 에칭 공정은 무전해이며, K2S2O8와 같은 에칭 용액에 존재하는 산화제에 의해 유도되는 이형 층의 산화 및 용해를 포함한다. 미리 결정된 시간 동안의 에칭 후, 이형 층(1103)은 실질적으로 용해되어, 템플릿 기판(1101)으로부터 포토다이오드 구조의 용이한 제거가 가능하게 된다.
도 13d에 개략적으로 보여지고 위에서 설명된 바와 같이, 템플릿 기판(1101)의 제거 후, 동작 중에 광이 입사하는 특정 각도 또는 각도 범위에서 약 70%, 약 80%, 또는 약 90% 보다 높은 반사율을 가지는, 반사성 n-측 전기 접점(1319)이 새롭게 노출된 질화물 층(1104)의 뒤쪽 표면(1317)에 증착될 수 있다. 일부 실시예에서, 표면(1317)은, 반사성 n-측 접점(1319)의 증착 전에, 습식 공정 또는 건식 공정 중 하나 이상에 의해 세정된다. 동작 중에, 조명원(251)으로부터의 광은 개구 또는 수광 표면(1352)을 통과하고, 빔(1353)으로서 캐리어 기판(1313)에 들어가며, p-측 반사 층(1315) 및 반사성 n-측 접점(1319) 사이에서 다중 반사된다.
템플릿 기판 제거 및 캐리어 기판 본딩 공정의 변형이 가능하다. 예를 들면, 도 14a에 개략적으로 보여지는 바와 같이, 불투명한 제1 캐리어 기판(1411)이 반사성 p-측 접촉 층(113)에 본딩될 수 있다. 그 다음에, 도 14b에 개략적으로 보여지고 위에서 설명된 바와 같이, 템플릿 기판(1101) 제거 후에, 반투명 전류 확산 층(321)이 질화물 층(1104)의 새롭게 노출된 뒤쪽 표면(1417)에 증착될 수 있다. 반투명 전류 확산 층(321)은 n-타입 GaN 층(1104)에 대한 전기적 접촉, 예를 들면, 저항 거동 또는 준저항 거동을 용이하게 한다. 일부 실시예에서, 투명 유전체(319)가 반투명 전류 확산 층(321)의 일부에 그리고 불연속 n-측 전기 접점(317) 사이에 배치된다. 그 다음에 관심 파장에서 투명한, 제2 캐리어 기판(1413)의 제1 표면이 층(321, 317, 및/또는 319)에 본딩될 수 있다. 그 다음에 n-측 반사 층(1414)이 제2 캐리어 기판(1413)의 제2 표면에 증착될 수 있다. 이제, 조명원(251)으로부터의 광은 개구 또는 수광 표면(1452)을 통과하고, 빔(1453)으로서 캐리어 기판(1313)에 들어가며, 반사성 p-측 접촉 층(113) 및 n-측 반사 층(1414) 사이에서 다중 반사된다.
특정 실시예에서, 포토다이오드 구조는 싱귤레이션 이전에 특징지어질 수 있다. 예를 들어, 투과 또는 반사와 같은 광학적 특성은 광 흡수 분광법에 의해 조사될 수 있다. 하나 이상의 층의 형태(morphology)는 차등 간섭 대비 현미경(DICM, 또는 Nomarski) 및/또는 원자력 현미경에 의해 특징지어질 수 있다. 하나 이상의 에피택셜 층의 발광 특성은 광발광 분광법, 광발광 현미경 관찰법(photoluminescence microscopy), 및 미세 형광법(microfluorescence) 중 하나 이상에 의해 특징지어질 수 있다. 하나 이상의 층의 불순물 농도는 조정된 이차 이온 질량 분석기(SIMS)에 의해 특징지어질 수 있다. 하나 이상의 에피택셜 성장 층의 결정도는 x선 회절에 의해 특징지어질 수 있다. 하나 이상의 층의 전기적 특성은 홀(Hall) 측정, 반 데어 파우브(Van der Pauw) 측정, 또는 비접촉 저항 측정에 의해 특징지어질 수 있다. 하나 이상의 p-측 및 n-측 접점과 하나 이상의 층의 접촉 저항 및 직렬 저항은 TLM(transmission line measurement)에 의해 조사될 수 있다. 포토다이오드의 전기적 특성 및 전력 변환 효율은, 암흑에서 또는 다양한 강도의 종래의 광원 또는 레이저 광원에 의한 조명 아래에서 전류-전압(I-V) 측정에 의해 특징지어질 수 있다. 포토다이오드 구조 내의 소수 캐리어 수집은 양자 효율(quantum efficiency) 측정에 의해 정량화될 수 있다. 포토다이오드 구조는 추가로 전기발광(electroluminescence) 측정에 의해 특징지어질 수 있다.
웨이퍼 레벨 제조 후, 개별 포토다이오드 다이는, 예를 들면, 레이저 스크라이빙(scribing) 및 클리빙(cleaving), 레이저 커팅, 다이 소잉(die sawing) 등에 의해 분리되고, 패키징될 수 있다. 결정축(crystal axis)에 대한 스크라이빙 및 클리빙 방향은 에지의 형태를 제어하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, c-면 웨이퍼는 매그럽게 클리빙된 표면을 위해 m-면을 따라서, 또는 m-면 측에 구성된 거칠게 클리빙된 표면을 위해 a-면을 따라서 클리빙될 수 있다.
실시예
본 개시에 따라 제공된 실시예가 다음의 비교예 및 예시적 프로세스예를 참조하여 추가로 예시된다. 통상의 기술자라면 물질 및 방법 모두에 대한 다양한 변형이 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있는 것임이 명확할 것이다.
비교예 1
비교 관점에서, +c-면, GaN-on-GaN 다이는 대략 405나노미터로 방출하는 상용 LED로부터 얻어지고, 포토다이오드로 활용되었다. LED 구조는 p-타입 GaN 층 및 InGaN 웰 층과 GaN 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 MQW 구조 아래에 있는 AlGaN 전자 장벽 층을 포함하는 것으로 생각된다. LED 구조는 고도로 도핑된 층 또는 MQW 층에 바로 인접한 도핑된 축소 밴드갭 층은 포함하지 않는 것으로 생각된다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록되었다. 그 결과가 도 5에서 "LIV" 곡선으로 보여진다. 측정 결과로부터, Voc는 2.74V, Eg = 3.06eV, Isc = 2.6A/cm2, eVoc/Eg = 0.89, 그리고 FF = 46%로 평가되었다. Voc 및 Isc의 값은 비교적 좋은 것으로 보이는 반면에, 충전율에 대한 낮은 값은 개선된 디바이스 설계가 필요하다는 것을 나타낸다. 대조적으로, 도 5에서 비교를 위해 비교적 높은 충전율을 가지는 곡선이 보여진다.
비교예 2
2×1018cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 500나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 4×1018cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 100나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 의도치 않게 도핑된 흡수 층, 그 다음에 1×1019cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 90나노미터 p-타입 도핑된 층, 그 다음에 1×1020cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 10나노미터 p+-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, (0001)로부터 [10-10]을 향하여 대략 0.4도로 미스 커팅된(miscut) 벌크 GaN 기판에 증착되었다. 흡수 층은 의도치 않게 도핑되었으며, 7나노미터 GaN 층 다음에 4나노미터 In0.14Ga0.86N 웰 층과 7나노미터 GaN 장벽 층의 10개의 교대 층으로 구성되었다. 이 구조는 대략 447나노미터에서의 전기발광 피크로 특징지어졌다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록되었다. 그 결과가 도 6에 보여진다. 측정 결과로부터, Voc는 2.32V, Eg = 2.77eV, Isc = 6.5×10-3A, eVoc/Eg = 0.84, 그리고 FF = 33%로 평가되었다. Voc 및 Isc의 값은 비교적 좋은 것으로 보이는 반면에, 충전율에 대한 낮은 값은 개선된 디바이스 설계가 필요하다는 것을 나타낸다.
비교예 3
2.0×1018cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 1000나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 2×1019cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 30나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 의도치 않게 도핑된 흡수 층, 그 다음에 2×1019cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 50나노미터 p-타입 도핑된 층, 그 다음에 1×1020cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 10나노미터 p+-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, (0001)로부터 [10-10]을 향하여 대략 0.4도로 미스 커팅된 벌크 GaN 기판에 증착되었다. 흡수 층은 의도치 않게 도핑되었으며, 40나노미터 이중 헤테로구조 In0.13Ga0.87N 층으로 구성되었다. 이 구조는 대략 435나노미터에서의 전기발광 피크로 특징지어졌다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록되었다. 그 결과가 도 11에 보여진다. 측정 결과로부터, Voc는 2.43V, Eg = 2.85eV, Isc = 0.013A, eVoc/Eg = 0.85, 그리고 FF 38%로 평가되었다. Voc 및 Isc의 값은 비교적 좋은 것으로 보이는 반면에, 충전율에 대한 낮은 값은 개선된 디바이스 설계가 필요하다는 것을 나타낸다.
비교예 4
2.0×1018cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 1000나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 5.0×1017cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 100나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 의도치 않게 도핑된 흡수 층, 그 다음에 2×1020cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 50나노미터 p-타입 도핑된 층, 그 다음에 1×1020cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 10나노미터 p+-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, (0001)로부터 [10-10]을 향하여 대략 0.4도로 미스 커팅된 벌크 GaN 기판에 증착되었다. 흡수 층은 의도치 않게 도핑되었으며, 40나노미터 이중 헤테로구조 In0.18Ga0.82N 층으로 구성되었다. 이 구조는 대략 473나노미터에서의 전기발광 피크로 특징지어진다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록되었다. 측정 결과로부터, Voc는 2.20V, Eg = 2.62eV, eVoc/Eg = 0.84, 그리고 FF 45%로 평가되었다. Voc의 값은 비교적 좋은 것으로 보이는 반면에, 충전율에 대한 낮은 값은 개선된 디바이스 설계가 필요하다는 것을 나타낸다.
실시예 1
2.0×1018cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 1000나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 3.0×1019cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 30나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 의도치 않게 도핑된 흡수 층, 그 다음에 3×1019cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 50나노미터 p-타입 도핑된 층, 그 다음에 1×1020cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 10나노미터 p+-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, (0001)로부터 [10-10]을 향하여 대략 0.4도로 미스 커팅된 벌크 GaN 기판에 증착된다. 흡수 층은 의도치 않게 도핑되며, 40나노미터 이중 헤테로구조 In0.13Ga0.87N 층으로 구성된다. 이 구조는 대략 435나노미터에서의 전기발광 피크로 특징지어진다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록된다. 측정 결과로부터, Voc는 2.43V, Eg = 2.85eV, eVoc/Eg = 0.85, 그리고 FF 85%로 평가된다.
실시예 2
2.0×1018cm-3의 평균 농도로 Si 도펀트를 함유하는 1000나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 4.0×1019cm-3의 평균 농도로 Si를 함유하는 30nm n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 의도치 않게 도핑된 흡수 층, 그 다음에 2×1020cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 50나노미터 p-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, (0001)로부터 [10-10]을 향하여 대략 0.4도로 미스 커팅된 벌크 GaN 기판에 증착된다. 흡수 층은 의도치 않게 도핑되며, 40나노미터 이중 헤테로구조 In0.18Ga0.82N 층으로 구성된다. 이 구조는 대략 473나노미터에서의 광발광(photoluminescence) 피크로 특징지어진다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록된다. 측정 결과로부터, Voc는 2.20V, Eg = 2.62eV, eVoc/Eg = 0.84, 그리고 FF 91%로 평가된다.
실시예 3
2.0×1018cm-3의 평균 농도로 Si 도펀트를 함유하는 1000나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 5.0×1017cm-3의 평균 농도로 Si를 함유하는 100nm n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 GaN의 초기 조성과 대략 In0.18Ga0.72N의 최종 조성 및 대략 5.0×1017cm-3의 Si 도펀트 농도를 가지는 대략 6nm 두께의 조성적으로 경사진(compositionally-graded) InGaN 층, 그 다음에 의도치 않게 도핑된 흡수 층, 그 다음에 2×1020cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 50나노미터 p-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, (0001)로부터 [10-10]을 향하여 대략 0.4도로 미스 커팅된 벌크 GaN 기판에 증착된다. 흡수 층은 의도치 않게 도핑되며, 40나노미터 이중 헤테로구조 In0.18Ga0.82N 층으로 구성된다. 이 구조는 대략 473나노미터에서의 광발광 피크로 특징지어진다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록된다. 측정 결과로부터, Voc는 2.20V, Eg = 2.62eV, eVoc/Eg = 0.84, 그리고 FF 85%로 평가된다.
실시예 4
3.5×1018cm-3의 평균 농도로 Si 도펀트를 함유하는 300나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 InGaN-GaN 응력 초격자(SLS), 그 다음에 대략 In0.04Ga0.96N의 초기 조성과 대략 In0.2Ga0.8N의 최종 조성 및 대략 4.0×1017cm-3의 Si 도펀트 농도를 가지는 대략 6nm 두께의 조성적으로 경사진 InGaN 층, 그 다음에 대략 3×1017cm-3의 농도로 Si 도펀트를 함유하는 3nm In0.2Ga0.8N 우물(well) 및 9nm GaN 장벽 층으로 구성된 9주기(period) 다중 양자 우물 구조, 그 다음에 대략 2×1020cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 100나노미터 p-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, 질화물 에피택셜 층의 [0001]의 5도 이내에서 수직인 기판 표면을 가지는 사파이어 기판에 성장되었다. 흡수 층은 9주기 다중 양자 우물 구조로 구성되었다. 이 구조는 대략 457나노미터에서의 광발광 피크로 특징지어졌다. 제조된 디바이스의 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록되었다. 그 결과가 도 12에 보여진다. 측정 결과로부터, Voc는 2.34V, Eg = 2.71eV, Isc = 0.0114A, eVoc/Eg = 0.86, 및 FF 78%로 평가되었다. Voc, Isc, 및 FF의 값은 비교적 좋은 것으로 보인다. 측정된 FF는 n개의 금속 접점을 전기적으로 프로빙하는 방식에서 발생하는 직렬 저항으로 인해 인위적으로 낮다.
실시예 5
1.0×1018cm-3의 평균 농도로 Si 도펀트를 함유하는 1000나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 2nm In0.18Ga0.82N 우물 및 4nm GaN 장벽 층으로 구성된 의도치 않게 도핑된 20주기 다중 양자 우물 구조, 그 다음에 대략 2×1018cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 50나노미터 p-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, (000-1)로부터 [10-10]을 향하여 대략 4도로 미스 커팅된 벌크 GaN 기판에 증착된다. 흡수 층은 9주기 다중 양자 우물 구조로 구성된다. 이 구조는 대략 470나노미터에서의 광발광 피크로 특징지어진다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록된다. 측정 결과로부터, Voc는 2.20V, Eg = 2.63eV, eVoc/Eg = 0.84, 그리고 FF 88%로 평가된다.
실시예 6
5.0×1018cm-3의 평균 농도로 Si 도펀트를 함유하는 1000나노미터 n-타입 도핑된 GaN 층, 그 다음에 2nm In0.18Ga0.82N 우물 및 4nm GaN 장벽 층으로 구성된 의도치 않게 도핑된 20주기 다중 양자 우물 구조, 그 다음에 대략 1×1019cm-3의 농도로 Mg를 함유하는 100나노미터 p-타입 도핑된 층을 포함하는 에피택셜 구조가, (30-3-1)의 0.1도 이내에서 결정학적 방향을 가지는 벌크 GaN 기판에 증착된다. 이 구조는 대략 470나노미터에서의 광발광 피크로 특징지어진다. 역 전류-전압 특성은, 암흑 조건, 및 조명이 상용 405nm 레이저 다이오드에 의해 제공되는 경우의, 광 조건에서 기록된다. 측정 결과로부터, Voc는 2.20V, Eg = 2.63eV, eVoc/Eg = 0.84, 그리고 FF 88%로 평가된다.
전술한 내용은 본 개시의 실시예에 관한 것이지만, 본 개시의 다른 및 추가 실시예가 그 기본 범위을 벗어나지 않고 발명될 수 있으며, 그 범위는 다음의 청구범위로 정해진다.

Claims (28)

  1. 포토다이오드 구조로서,
    제1 표면 및 제2 표면을 가지는 기판 -
    상기 제2 표면은 상기 제1 표면과 반대측이고,
    상기 기판은 단결정 III족 금속 질화물이며,
    상기 기판의 상기 제1 표면은 (0001)+c-면, {10-10}m-면, 또는 {11-2±2}, {60-6±1}, {50-5±1}, {40-4±1}, {30-3±1}, {50-5±2}, {70-7±3}, {20-2±1}, {30-3±2}, {40-4±3}, {50-5±4}, {10-1±1}, {1 0 -1 ±2}, {1 0 -1 ±3} 중 하나로부터 선택된 반극성면의 5도 이내의 결정학적 방향을 가지거나, 또는 (000-1)로부터 2도 내지 5도 사이만큼 차이가 있음 - ;
    상기 기판의 상기 제1 표면 상에 배치되는 n-타입 층 및 p-타입 층 - 상기 n-타입 층 및 상기 p-타입 층 각각은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하며(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 적어도 1×1016cm-3의 도펀트 농도를 가짐 - ;
    상기 n-타입 층 및 상기 p-타입 층 사이에 배치된 하나 이상의 흡수 층 - 상기 하나 이상의 흡수 층은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하며(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 109cm-2 미만의 전위 밀도를 가짐 - ;
    상기 p-타입 층 상에 배치된 p-측 전기 접촉 층 - 상기 p-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 70%의 평균 반사율 및 3×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가짐 - ;
    상기 기판의 상기 제2 표면 상에 배치된 n-측 전기 접촉 층 - 상기 n-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 70%의 평균 반사율 및 1×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가짐 - ; 및
    수광 표면을 포함하며, 상기 수광 표면은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장을 가지며 상기 수광 표면에 비스듬히 입사되는 광이, 상기 n-측 전기 접촉 층 및 상기 p-측 전기 접촉 층으로부터 적어도 한번 반사되도록 정렬되는 포토다이오드 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 포토다이오드 구조는 적어도 50%의 충전율로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 충전율은 적어도 10Acm-2의 전류 밀도를 발생시키는 조도 레벨에서 달성되는 포토다이오드 구조.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 충전율은 적어도 80%인 포토다이오드 구조.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 충전율은 적어도 90%인 포토다이오드 구조.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 흡수 층, 상기 n-타입 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, (0001)+c-면의 5도 이내의 결정학적 방향으로 특징지어지며, 상기 n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 1×1019cm-3의 도펀트 농도로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    n-타입 클래딩 층 및 p-타입 클래딩 층 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 n-타입 클래딩 층은 상기 n-타입 층 및 상기 하나 이상의 흡수 층 사이에 위치하며, 상기 n-타입 클래딩 층은 적어도 5×1018cm-3의 도펀트 농도를 가지고, 그리고
    상기 p-타입 클래딩 층은 상기 흡수 층 및 상기 p-타입 층 사이에 위치하며, 상기 p-타입 클래딩 층은 적어도 1×1019cm-3의 도펀트 농도를 가지는 포토다이오드 구조.
  8. 청구항 1에 있어서,
    n-타입 클래딩 층 및 p-타입 클래딩 층 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 n-타입 클래딩 층은 상기 n-타입 층 및 상기 하나 이상의 흡수 층 사이에 위치하며,
    상기 p-타입 클래딩 층은 상기 흡수 층 및 상기 p-타입 층 사이에 위치하고,
    상기 n-타입 클래딩 층 및 상기 p-타입 클래딩 층 중 적어도 하나는 상기 흡수 층의 인듐 농도와 상기 n-타입 층 또는 p-타입 층의 인듐 농도 사이의 인듐 농도로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 흡수 층, 상기 n-타입 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, (000-1)-c-면으로부터 2도 내지 5도 사이만큼 차이가 있는 결정학적 방향으로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 흡수 층, 상기 n-타입 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, {10-10}m-면의 5도 이내의 결정학적 방향으로 특징지어지고, 상기 n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 2×1018cm-3의 도펀트 농도로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 흡수 층, 상기 n-타입 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, {10-1-2}, {10-1-1}, {20-2-1}, 및 {30-3-1}로부터 선택된 반극성면의 5도 이내의 결정학적 방향으로 특징지어지고, 상기 n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 1×1018cm-3의 도펀트 농도로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 p-측 전기 접촉 층은 상기 p-타입 층 상에 배치되며, 상기 p-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 80%의 평균 반사율 및 1×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가지는 포토다이오드 구조.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 n-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 80%의 평균 반사율 및 5×10-4Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가지는 포토다이오드 구조.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 n-타입 층, 상기 하나 이상의 흡수 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, 107cm-2 미만의 스레딩 전위 밀도를 가지는 포토다이오드 구조.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 n-타입 층, 상기 하나 이상의 흡수 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, 106cm-2 미만의 스레딩 전위 밀도를 가지는 포토다이오드 구조.
  16. 포토다이오드 구조로서,
    하나 이상의 흡수 층 - 상기 하나 이상의 흡수 층은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하고(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임) - ;
    n-타입 층 및 p-타입 층 -
    상기 하나 이상의 흡수 층은 상기 n-타입 층 상에 배치되고,
    상기 p-타입 층은 상기 하나 이상의 흡수 층 상에 배치되며,
    상기 n-타입 층 및 상기 p-타입 층 각각은 AlxInyGa1-x-yN을 포함하고(여기서 0 ≤ x, y, x+y ≤ 1 임), 적어도 1×1016cm-3의 도펀트 농도를 가짐 - ;
    제1 표면 및 제2 표면을 가지는 캐리어 기판 -
    상기 캐리어 기판의 상기 제1 표면은 상기 p-타입 층 상에 또는 상기 n-타입 층 하에 배치되고,
    상기 캐리어 기판은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 파장에서 실질적으로 투명함 - ;
    상기 p-타입 층과 전기 접촉하여 배치된 p-측 전기 접촉 층 - 상기 p-측 전기 접촉 층은 3×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가짐 - ;
    상기 p-타입 층 및 상기 캐리어 기판의 상기 제2 표면 중 하나에 배치된 p-측 반사 층 - 상기 p-측 반사 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 70%의 평균 반사율을 가짐 - ;
    상기 n-타입 층과 전기 접촉하여 배치된 n-측 전기 접촉 층 - 상기 n-측 전기 접촉 층은 1×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가짐 - ;
    상기 n-타입 층 및 상기 캐리어 기판의 상기 제2 표면 중 하나 상에 배치된 n-측 반사 층 - 상기 n-측 반사 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 70%의 평균 반사율을 가짐 - ; 및
    수광 표면을 포함하며, 상기 수광 표면은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장을 가지며 상기 수광 표면에 비스듬히 입사되는 광이, 상기 n-측 반사 층 및 상기 p-측 반사 층으로부터 적어도 한번 반사되도록 정렬되는 포토다이오드 구조.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 포토다이오드 구조는 적어도 50%의 충전율로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 충전율은 적어도 10Acm-2의 전류 밀도를 발생시키는 조도 레벨에서 달성되는 포토다이오드 구조.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 충전율은 적어도 80%인 포토다이오드 구조.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 충전율은 적어도 90%인 포토다이오드 구조.
  21. 청구항 16에 있어서,
    상기 하나 이상의 흡수 층, 상기 n-타입 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, (0001)+c-면의 5도 이내의 결정학적 방향으로 특징지어지며, 상기 n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 1×1019cm-3의 도펀트 농도로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  22. 청구항 16에 있어서,
    n-타입 클래딩 층 및 p-타입 클래딩 층 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 n-타입 클래딩 층은 상기 n-타입 층 및 상기 하나 이상의 흡수 층 사이에 위치하며, 상기 n-타입 클래딩 층은 적어도 5×1018cm-3의 도펀트 농도를 가지고,
    상기 p-타입 클래딩 층은 상기 흡수 층 및 상기 p-타입 층 사이에 위치하며, 상기 p-타입 클래딩 층은 적어도 1×1019cm-3의 도펀트 농도를 가지는 포토다이오드 구조.
  23. 청구항 16에 있어서,
    n-타입 클래딩 층 및 p-타입 클래딩 층 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 n-타입 클래딩 층은 상기 n-타입 층 및 상기 하나 이상의 흡수 층 사이에 위치하며,
    상기 p-타입 클래딩 층은 상기 흡수 층 및 상기 p-타입 층 사이에 위치하고,
    상기 n-타입 클래딩 층 및 상기 p-타입 클래딩 층 중 적어도 하나는, 상기 흡수 층의 인듐 농도와 상기 n-타입 층 또는 p-타입 층의 인듐 농도 사이의 인듐 농도로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  24. 청구항 16에 있어서,
    상기 하나 이상의 흡수 층, 상기 n-타입 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, (000-1)-c-면으로부터 2도 내지 5도 사이만큼 차이가 있는 결정학적 방향으로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  25. 청구항 16에 있어서,
    상기 하나 이상의 흡수 층, 상기 n-타입 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, {10-10}m-면의 5도 이내의 결정학적 방향으로 특징지어지고, 상기 n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 2×1018cm-3의 도펀트 농도로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  26. 청구항 16에 있어서,
    상기 하나 이상의 흡수 층, 상기 n-타입 층, 및 상기 p-타입 층 각각은, {10-1-2}, {10-1-1}, {20-2-1}, 및 {30-3-1}로부터 선택된 반극성면의 5도 이내의 결정학적 방향으로 특징지어지고, 상기 n-타입 층 및 p-타입 층 각각은 적어도 1×1018cm-3의 도펀트 농도로 특징지어지는 포토다이오드 구조.
  27. 청구항 16에 있어서,
    상기 p-측 전기 접촉 층은 상기 p-타입 층 상에 배치되며, 상기 p-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 80%의 평균 반사율 및 1×10-3Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가지는 포토다이오드 구조.
  28. 청구항 16에 있어서,
    상기 n-측 전기 접촉 층은 390나노미터 내지 460나노미터 사이의 적어도 하나의 파장에 대해서 적어도 80%의 평균 반사율 및 5×10-4Ωcm2 미만의 접촉 저항을 가지는 포토다이오드 구조.
KR1020227005106A 2019-07-15 2020-07-15 파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법 KR102663685B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020247014597A KR20240065189A (ko) 2019-07-15 2020-07-15 파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962874487P 2019-07-15 2019-07-15
US62/874,487 2019-07-15
US202062978281P 2020-02-18 2020-02-18
US62/978,281 2020-02-18
PCT/US2020/042205 WO2021011705A1 (en) 2019-07-15 2020-07-15 Power photodiode structures, methods of making, and methods of use

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247014597A Division KR20240065189A (ko) 2019-07-15 2020-07-15 파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220031723A KR20220031723A (ko) 2022-03-11
KR102663685B1 true KR102663685B1 (ko) 2024-05-10

Family

ID=71895297

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247014597A KR20240065189A (ko) 2019-07-15 2020-07-15 파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법
KR1020227005106A KR102663685B1 (ko) 2019-07-15 2020-07-15 파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247014597A KR20240065189A (ko) 2019-07-15 2020-07-15 파워 포토다이오드 구조, 제조 방법, 및 사용 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11444216B2 (ko)
EP (1) EP4000103A1 (ko)
JP (2) JP7329126B2 (ko)
KR (2) KR20240065189A (ko)
CN (1) CN114207845A (ko)
WO (1) WO2021011705A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210302710A1 (en) * 2020-02-24 2021-09-30 Massachusetts Institute Of Technology Bragg light source for dark-field imaging devices
US20230420586A1 (en) 2022-06-28 2023-12-28 Slt Technologies, Inc. Photodiode with high power conversion efficiency and positive temperature coefficient

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000261025A (ja) 1999-03-12 2000-09-22 Toyoda Gosei Co Ltd 受光素子
WO2014141028A1 (en) 2013-03-13 2014-09-18 Koninklijke Philips N.V. Method and apparatus for creating a porous reflective contact
US20160020284A1 (en) 2014-07-21 2016-01-21 Soraa, Inc. Reusable nitride wafer, method of making, and use thereof
CN107046071A (zh) 2017-04-06 2017-08-15 中国科学院半导体研究所 基于多孔DBR的InGaN基谐振腔增强型探测器芯片
US20180195206A1 (en) 2017-01-09 2018-07-12 Soraa, Inc. Oxygen-doped group iii metal nitride and method of manufacture
US20190115497A1 (en) 2017-10-18 2019-04-18 Bolb Inc. Polarization electric field assisted hole supplier and p-type contact structure, light emitting device and photodetector using the same

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5937274A (en) 1995-01-31 1999-08-10 Hitachi, Ltd. Fabrication method for AlGaIn NPAsSb based devices
JPH09307134A (ja) 1996-05-13 1997-11-28 Fujitsu Ltd 受光素子及びその光モジュール並びに光ユニット
US6297495B1 (en) 1998-08-19 2001-10-02 The Trustees Of Princeton University Organic photosensitive optoelectronic devices with a top transparent electrode
JP2000277793A (ja) 1999-03-25 2000-10-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体用接触電極
US6333458B1 (en) * 1999-11-26 2001-12-25 The Trustees Of Princeton University Highly efficient multiple reflection photosensitive optoelectronic device with optical concentrator
US6440769B2 (en) * 1999-11-26 2002-08-27 The Trustees Of Princeton University Photovoltaic device with optical concentrator and method of making the same
DE10065624C2 (de) 2000-12-29 2002-11-14 Hans Kragl Kopplungsanordnung zum optischen Koppeln eines Lichtwellenleiters mit einem elektro-optischen oder opto-elektrischen Halbleiterwandler
US6806508B2 (en) 2001-04-20 2004-10-19 General Electic Company Homoepitaxial gallium nitride based photodetector and method of producing
US7119372B2 (en) 2003-10-24 2006-10-10 Gelcore, Llc Flip-chip light emitting diode
US7138631B2 (en) 2004-06-30 2006-11-21 Lockheed Martin Corporation Photodetector employing slab waveguide modes
JP3955065B2 (ja) 2005-01-18 2007-08-08 シャープ株式会社 光結合器
US8101498B2 (en) 2005-04-21 2012-01-24 Pinnington Thomas Henry Bonded intermediate substrate and method of making same
US8148801B2 (en) 2008-08-25 2012-04-03 Soraa, Inc. Nitride crystal with removable surface layer and methods of manufacture
US8455894B1 (en) 2008-10-17 2013-06-04 Soraa, Inc. Photonic-crystal light emitting diode and method of manufacture
US9589792B2 (en) 2012-11-26 2017-03-07 Soraa, Inc. High quality group-III metal nitride crystals, methods of making, and methods of use
CN101752441B (zh) * 2008-12-15 2012-05-23 富士迈半导体精密工业（上海）有限公司 便携式供电装置
US20150146757A1 (en) 2010-02-19 2015-05-28 Furukawa Electric Co., Ltd. Semiconductor laser module
US8729559B2 (en) 2010-10-13 2014-05-20 Soraa, Inc. Method of making bulk InGaN substrates and devices thereon
GB201019725D0 (en) * 2010-11-22 2011-01-05 Univ Surrey Optoelectronic devices
WO2013014713A1 (ja) 2011-07-28 2013-01-31 パナソニック株式会社 表面改質半導体及びその製造方法並びに粒子配置方法
US8866149B2 (en) 2012-02-17 2014-10-21 The Regents Of The University Of California Method for the reuse of gallium nitride epitaxial substrates
US10468543B2 (en) 2013-05-22 2019-11-05 W&Wsens Devices, Inc. Microstructure enhanced absorption photosensitive devices
KR102124207B1 (ko) 2013-06-03 2020-06-18 삼성전자주식회사 반도체 소자 및 그 제조 방법
ES2831831T3 (es) 2014-02-05 2021-06-09 Array Photonics Inc Convertidor de energía monolítico con múltiples uniones
US9917227B1 (en) 2014-05-07 2018-03-13 Soraa, Inc. Controlling oxygen concentration levels during processing of highly-reflective contacts
WO2019023281A1 (en) 2017-07-24 2019-01-31 Microlink Devices, Inc. DEEP PHOTOACTIVATED WET MATERIAL BURNING USING HIGH POWER ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DIODES

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000261025A (ja) 1999-03-12 2000-09-22 Toyoda Gosei Co Ltd 受光素子
WO2014141028A1 (en) 2013-03-13 2014-09-18 Koninklijke Philips N.V. Method and apparatus for creating a porous reflective contact
US20160020284A1 (en) 2014-07-21 2016-01-21 Soraa, Inc. Reusable nitride wafer, method of making, and use thereof
US20180195206A1 (en) 2017-01-09 2018-07-12 Soraa, Inc. Oxygen-doped group iii metal nitride and method of manufacture
CN107046071A (zh) 2017-04-06 2017-08-15 中国科学院半导体研究所 基于多孔DBR的InGaN基谐振腔增强型探测器芯片
US20190115497A1 (en) 2017-10-18 2019-04-18 Bolb Inc. Polarization electric field assisted hole supplier and p-type contact structure, light emitting device and photodetector using the same
CN109686822A (zh) 2017-10-18 2019-04-26 博尔博公司 极化电场辅助的空穴供给和p型接触结构、使用该结构的发光器件和光电探测器

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220031723A (ko) 2022-03-11
CN114207845A (zh) 2022-03-18
US20210020798A1 (en) 2021-01-21
JP2022540991A (ja) 2022-09-21
EP4000103A1 (en) 2022-05-25
US11444216B2 (en) 2022-09-13
JP2023133594A (ja) 2023-09-22
KR20240065189A (ko) 2024-05-14
JP7329126B2 (ja) 2023-08-17
WO2021011705A1 (en) 2021-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11348908B2 (en) Contact architectures for tunnel junction devices
JP6484076B2 (ja) 光デバイス
US8115222B2 (en) Semiconductor light emitting device and fabrication method for the semiconductor light emitting device
US7928471B2 (en) Group III-nitride growth on silicon or silicon germanium substrates and method and devices therefor
KR101038923B1 (ko) 개선된 발광 효율을 갖는 발광 다이오드 및 이의 제조방법
US20100314642A1 (en) Nitride semiconductor light-emitting diode device
JP2023133594A (ja) パワーフォトダイオード構造体、その作製方法、及びその使用方法
US20230108564A1 (en) Power photodiode structures and devices
US20230104302A1 (en) Methods for coupling of optical fibers to a power photodiode
KR20220100554A (ko) 자외선 발광 소자
CN106684213A (zh) GaN基半导体器件及其制作方法
US20220367749A1 (en) Semiconductor optical device and method of producing the same
JPH10117016A (ja) 窒化物半導体素子の製造方法
US20230420617A1 (en) Nitride based ultraviolet light emitting diode with an ultraviolet transparent contact
CN115136328A (zh) 功率光电二极管、用于将光纤耦接到功率光电二极管的方法以及光纤供电系统
US20220406953A1 (en) Power photodiode structures, methods of making, and methods of use
US20230420586A1 (en) Photodiode with high power conversion efficiency and positive temperature coefficient
US11990562B1 (en) Ultraviolet light-emitting devices having enhanced light output
WO2018035331A1 (en) Iii-nitride tunnel junction light emitting diode with wall plug efficiency of over seventy percent
JP2002151798A (ja) 窒化物半導体素子
JP5265742B2 (ja) 光電変換素子
JP2003086532A (ja) 窒化物半導体素子および半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant