KR20020034100A - 애벌란치 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초고속 광통신에 사용되는 APD(Avalanche Photodiode)형 광검출기에 관한 것으로, 구체적으로는 모서리 항복(edge breakdown)을 완화시키고 활성영역에서 이득을 증가시키기 위한 가드링 및 활성층 모서리 구조에 관한 것이다. 본 발명은 애벌란치형 포토 다이오드에 있어서, 가드링, 활성영역의 중앙부 및 활성영역의 가장자리 영역의 구성이 활성영역(확산영역)의 중앙부와 같은 깊이로 형성된 가드링 및 활성영역의 중앙부보다 얕은 깊이로 형성된 가장자리 영역으로 구성되고, 가드링은 활성영역과는 전기적으로 분리(isolation)되는 것을 특징으로 한다. 본 발명을 적용할 경우 초고속 광통신에서의 APD 이득을 증가시키기 때문에 잡음 감소와 수신감도 향상을 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 초고속 광통신에 사용되는 애벌란치형 광검출기에 관한 것으로, 특히 광신호의 증폭을 크게 하고 잡음을 줄이기 위해 모서리 항복 (Edge breakdown)을 억제하는 애벌란치 포토다이오드 소자의 구조에 관한 것이다.
도 1은 종래의 초고속 광통신용 애벌란치형 광검출기(Avalanche Photodiode ; 이하 APD)를 나타낸 것으로, 대표적인 실시 예가 M.A. Itzler 등의 논문("High performance, manufacturable avalanche photodiodes for 10 Gb/s operation" Proceedings of OFC2000, FG5, 2000)에 잘 나타나 있다. 종래의 기술은n-형의 InP 기판(1) 위에 n-형의 InP 버퍼층(2), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InGaAs 광흡수층(3), 그 위에 형성한 여러 층의 InGaAsP 그레이딩층(4), 그 위에 형성한n-형의 InP 전기장 조절층(5), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InP 윈도우층(6)으로 구성된 웨이퍼 상에 윈도우층(6)의 일부에 Zn의 확산을 통해p-InP 확산영역(7)과 가드링(8)을 제 1도에 보여진 단면도와 같이 형성한 구조를 갖는다. 이 구조에서 확산영역(7)은 가장자리의 확산 깊이가 중앙부의 깊이보다 얕게 형성되어 있으며 가드링의 깊이는 확산영역의 가장자리의 깊이와 같게 형성되고 전기적으로 분리(isolation)되어 있다. 즉, 도 1의 확산영역(7)과 가드링(8)은 전기적으로p-형이고 그 사이에 윈도우층의 일부가 남아 있는데n-형이므로 전기적으로 분리(isolation)되는 것이다.
도 1에 나타낸 구조를 제작하는 공정은 도 2에 나타내었다.n-형의 InP 기판(1) 위에 n-형의 InP 버퍼층(2), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InGaAs 광흡수층(3), 그 위에 형성한 여러 층의 InGaAsP 그레이딩층(4), 그 위에 형성한n-형의 InP 전기장 조절층(5), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InP 윈도우층(6)으로 구성된 웨이퍼를 MOCVD장치나 MBE 장치와 같은 결정박막 성장 장비를 이용해서 차례로 성장한 다음(도 2a), 질화 실리콘(SiNx)을 확산창으로 이용하여 1차 Zn-확산을 실시하고(도 2b), 새로운 질화실리콘으로 확산창을 형성하여 2차 Zn-확산을 실시하고(도 2c),p-전극과 질화실리콘 표면보호막을 형성한 다음(도 2d), 뒷면을 래핑(lapping) 및 폴리싱(polishing)한 후 질화실리콘 무반사막과n-전극을 형성하여(도 2e) 제작한다.
상기와 같은 구조의 APD는 활성영역 모서리(device edge) 부분(도 1에서 A로 표시된 부분)에서 전기장이 활성영역의 중앙부의 전기장에 비해 크게 나타나므로 먼저 항복전압에 도달하게 되고 따라서 빛 신호를 전기 신호로 바꾸어 증폭이 일어나는 활성영역(확산영역의 중앙부)의 중앙부에서 큰 증폭을 얻기가 어렵다.
실제 도 1과 같은 구조의 항복전압이 30 V인 APD를 제작하여 증폭률을 측정한 결과중 한 예를 도 3에 도시하였다. 20 V의 전압에서는 모서리 부분이나 가운데 부분이나 증폭률이 거의 같으나 26 V의 경우 모서리에서의 증폭이 중앙부의 증폭보다 훨씬 커짐을 알 수 있다.
이와 같이 모서리 부분의 증폭이 중앙부보다 크게 되면 중앙부에서 원하는 만큼의 증폭을 충분히 얻기가 어려워지므로(실제 광신호는 중앙부에 입사되므로 중앙부에서의 증폭만이 광신호 증폭에 기여하게 된다.) APD의 성능을 떨어뜨리는 원인이 되었다.
따라서, 초고속 광통신용 APD에 있어서 모서리(device edge)에서의 원하지 않는 증폭을 억제하고 중앙부에서의 증폭을 증가시키기 위한 새로운 구조 및 제조방법이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 본 발명의 목적은 초고속 광통신용 APD에 있어서 모서리(device edge)에서의 원하지 않는 증폭을 억제하고 중앙부에서의 증폭을 증가시키기 위한 새로운 구조를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 애벌란치 포토 다이오드에 있어서, 가드링, 활성영역의 중앙부 및 활성영역의 가장자리 영역의 구성이 활성영역(확산영역)의 중앙부와 같은 깊이로 형성된 가드링 및 활성영역의 중앙부보다 얕은 깊이로 형성된 가장자리 영역으로 구성되고, 가드링은 활성영역과는 전기적으로 분리(isolation)된 구조로 구성함으로써 달성되는 것이다.
이에 따라 본 발명에 의한 애벌??니 포토다이오드는 초고속 광통신에서의 APD 이득을 증가시키기 때문에 잡음 감소와 수신감도 향상시킬 수 있게된다.
도 1은 종래의 애벌란치 포토다이오드의 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 종래의 애벌란치 포토다이오드 제조공정 흐름도.
도 3은 종래 구조에서 발생하는 문제점에 대한 데이타 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드의 다른 실시예의 단면도.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드의 일 실시예 공정도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명과 종래의 구조의 모서리부분에서의 전기장 세기 비교 계산 결과 예시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : n-InP 기판2 : n-InP 버퍼층
3 : undoped InGaAs 광흡수층4 : 여러층의 InGaAsP 그레이딩층
5 : n-InP 전기장 조절층 6 : undoped InP 윈도우층
7 : p-InP 확산(활성)층8 : p-InP 가드링층
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에벌란치 포토다이오드(APD)는 도 4에 나타낸 바와 같이,n-형의 InP 기판(1) 위에n-형의 InP 버퍼층(2), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InGaAs 광흡수층(3), 그 위에 형성한 여러 층의 InGaAsP 그레이딩층(4), 그 위에 형성한n-형의 InP 전기장 조절층(5), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InP 윈도우층(6)으로 구성된 웨이퍼 상에 윈도우층(6)의 일부에p-형 불순물의 확산을 통해p-InP 활성영역(확산영역)(7)과 가드링(8)을 형성하고 질화규소 등 표면보호막과p-전극을 갖고, 웨이퍼의 다른 면에 형성된n-전극과 광신호 입사를 위한 무반사막으로 구성되는 애벌란치 포토다이오드에 있어서, 가드링(8), 활성영역(7)의 중앙부 및 활성영역(7)의 가장자리 영역의 구성이 도4에 보여진 단면도와 같이 가드링(8)의 깊이가 활성영역(확산영역)(7)의 중앙부와 같은 깊이로 형성되고, 활성영역(7)은 중앙부보다 얕은 깊이로 형성된 가장자리 영역으로 이루어지되, 가드링(8)은 활성영역(7)과는 전기적으로 분리(isolation)되는 것을 특징으로 한다.
이 구조에서 도 4의 확산영역(7)과 가드링(8)은 전기적으로p-형이고 그 사이에 윈도우층의 일부가p-형으로 변환되지 않고n-형으로 남아 있으므로 서로 전기적으로 분리(isolation)되는 것이다.
상기 발명의 구조에서 p-전극을 활성영역 전체에 부착되도록 디스크(Disk) 타입으로 형성하면 소자의 아래 부분에서 입사한 빛이 흡수층(3)을 지나고 p-InP 활성영역(7)을 지나 전극에서 반사하여 다시 광흡수층(3)으로 되돌아가므로 광흡수층(3)의 두께를 두배로 한 것과 같은 수광 효율을 얻을 수 있으며 전극과 p-InP 활성영역(7)과의 접촉면적이 넓어져 옴접촉저항을 줄일 수 있는 장점을 가질 수 있다.
상기 발명의 구조에 있어서 p-전극과 p-InP 활성층 사이에 옴접촉저항을 줄이기 위해 p-InGaAsP 또는 p-InGaAs와 같은 옴접촉층을 삽입할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시 예는 도 5에 나타낸 바와 같이,n-형의 InP 기판(1) 위에n-형의 InP 버퍼층(2), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InGaAs 광흡수층(3), 그 위에 형성한 여러 층의 InGaAsP 그레이딩층(4), 그 위에 형성한n-형의 InP 전기장 조절층(5), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InP 윈도우층(6)으로 구성된 웨이퍼 상에 윈도우층(6)의 일부에p-형 불순물의 확산을 통해p-InP 확산영역(7)과 가드링(8)을 형성하고 질화규소 등 표면보호막, 광신호 입사를 위한 무반사막 및p-전극을 갖고, 웨이퍼의 다른 면에 형성된n-전극으로 구성되는 애벌란치 포토다이오드에 있어서, 가드링(8), 활성영역(7)의 중앙부 및 활성영역(7)의 가장자리 영역의 구성이 도 5에 보여진 단면도와 같이 활성영역(확산영역)(7)의 중앙부와 같은 깊이로 형성된 가드링(8) 및 활성영역(7)의 중앙부보다 얕은 깊이로 형성된 가장자리 영역으로 이루어지되, 가드링(8)은 활성영역(7)과는 전기적으로 분리(isolation)되는 것을 특징으로 한다.
상기 발명의 구조의 다른 실시예에 있어서 p-전극과 p-InP 활성층(7) 사이에 옴접촉저항을 줄이기 위해 p-InGaAsP 또는 p-InGaAs와 같은 옴접촉층을 삽입할 수도 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 애벌란치 포토다이오드(APD)의 제조 공정중 도 4에 나타낸 후방입사형의 제조방법을 예시하면, 도 6에 그 실시 예를 나타낸 바와 같이n-형의 InP 기판(1) 위에n-형의 InP 버퍼층(2), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InGaAs 광흡수층(3), 그 위에 형성한 여러 층의 InGaAsP 그레이딩층(4), 그 위에 형성한n-형의 InP 전기장 조절층(5), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InP 윈도우층(6)으로 구성된 웨이퍼를 MOCVD장치나 MBE 장치와 같은 결정박막 성장 장비를 이용해서 차례로 성장한다(도 6a). 그리고 질화 실리콘(SiNx)을 확산창으로 이용하여 1차 Zn-확산을 실시하고(도 6b), 새로운 질화실리콘으로 확산창을 형성하되 중앙부와 가드링 부분의 확산 깊이가 같도록 활성영역의 중앙부와 가드링 부분을 확산창으로 열어 2차 Zn-확산을 실시한다(도 6c). 이후p-전극과 질화실리콘(SiNx) 표면보호막을 형성하고(도 6d), 뒷면을 래핑(lapping) 및 폴리싱(polishing)한 후 질화실리콘 무반사막과n-전극을 형성한다(도 6e).
상기와 같은 본 발명은 도 3에 나타낸 바와 같은 가장자리 부분에서 증폭률이 크게 증가하는 것을 억제할 수 있다. 이러한 가장자리 증폭률 억제의 원리는 도 7에 상세히 도시되어 있다. 도 7a는 기존의 APD 구조의 단면도를 반쪽만 도시한 것으로 가드링의 깊이가 활성영역의 가장자리와 같게 형성되어 있고, 도 7b는 본 발명에서 제안한 APD 구조의 단면도를 반쪽만 도시한 것으로 가드링의 깊이가 활성영역의 중앙부와 같게 형성되어 있다. 도 7c는 기존의 구조와 본 발명에서 제안한 구조에서 전기장을 계산하여 비교한 것으로 동일한 에피층 구조에 대해 계산하여 비교한 그래프이다. 중앙부에서의 전기장 세기는 동일한 에피구조이므로 기존의 APD 구조와 본 발명의 APD 구조가 동일하게 나타나며 X-X'으로 나타내진 그래프이다.중앙부와 가장자리 부분의 경계에서의 전기장은 곡률을 갖게 되기 때문에 기존의 구조에서는 중앙부보다 크게 나타나게 되며 (Y-Y') 본 발명의 구조에서는 같은 부위의 전기장이지만 중앙부보다 낮게 나타난다.(Z-Z') 그 이유는 바이어스 전압을 가했을 때 가드링 부분이 깊게 위치함으로 인해 등전위선이 음의 곡률을 갖게되기 때문으로 풀이할 수 있다. 기존의 구조와 같이 양의 곡률을 갖게될 경우에는 곡률반경이 커질수록 항복전압이 증가하며(전기장이 감소하며) 중앙부에서 무한대의 곡률반경을 갖기 때문에 항복전압이 최대(전기장이 최소)가 된다. 이 현상은 S.M.Sze 등의 1966년 논문(Solid state electronics, vol.9, p831)에 잘 나타나 있다. 이에 반해 등전위선이 음의 곡률을 갖게 되면 곡률반경이 무한대인 중앙부보다 항복전압이 증가(전기장이 감소)하게 된다.
상기의 특성을 가지는 본 발명에 의한 애벌란치 포토다이오드는, 가장자리에서의 전기장의 억제(항복전압의 증가)로 인해 중앙부에서의 특성을 최대한 활용하여 소자를 제작할 수 있기 때문에 기존의 APD보다 증폭률을 증가시킬 수 있고 잡음을 감소시킬 수 있어 궁극적으로 APD의 이득-대역폭 특성을 증가시킬 뿐만 아니라 수신감도도 향상시킬 수 있게 되는 장점을 갖는다.
Claims (5)
- n-형의 InP 기판(1) 위에n-형의 InP 버퍼층(2), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InGaAs 광흡수층(3), 그 위에 형성한 여러 층의 InGaAsP 그레이딩층(4), 그 위에 형성한n-형의 InP 전기장 조절층(5), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InP 윈도우층(6)으로 구성된 웨이퍼 상에 윈도우층(6)의 일부에p-형 불순물의 확산을 통해p-InP 확산(활성)영역(7)과 가드링(8)을 형성하고 질화규소(SiNx) 등으로 형성된 표면보호막과p-전극을 갖고, 웨이퍼의 다른 면에 형성된n-전극과 광신호 입사를 위한 무반사막으로 구성되는 애벌란치 포토다이오드에 있어서,상기 가드링, 상기 활성영역의 중앙부 및 활성영역의 가장자리 영역의 구성이 활성영역(확산영역)의 중앙부와 같은 깊이로 형성된 가드링 및 활성영역의 중앙부보다 얕은 깊이로 형성된 가장자리 영역으로 구성되고, 가드링은 활성영역과는 전기적으로 분리(isolation)되는 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기p-전극은 활성영역 전체에 부착되는 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기p-전극과 p-InP 확산(활성)층 사이에 옴접촉층이 삽입된 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
- n-형의 InP 기판(1) 위에n-형의 InP 버퍼층(2), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InGaAs 광흡수층(3), 그 위에 형성한 여러 층의 InGaAsP 그레이딩층(4), 그 위에 형성한n-형의 InP 전기장 조절층(5), 그 위에 형성한 도핑하지 않은(따라서n-형) InP 윈도우층(6)으로 구성된 웨이퍼 상에 윈도우층(6)의 일부에p-형 불순물의 확산을 통해p-InP 확산영역(7)과 가드링(8)을 형성하고 표면보호막, 광신호 입사를 위한 무반사막 및p-전극을 갖고, 웨이퍼의 다른 면에 형성된n-전극으로 구성되는 애벌란치 포토다이오드에 있어서,상기 가드링, 상기 활성영역의 중앙부 및 활성영역의 가장자리 영역의 구성이 활성영역(확산영역)의 중앙부와 같은 깊이로 형성된 가드링 및 활성영역의 중앙부보다 얕은 깊이로 형성된 가장자리 영역으로 구성되고, 가드링은 활성영역과는 전기적으로 분리(isolation)되는 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
- 제 4항에 있어서,상기p-전극과 p-InP 확산(활성)층 사이에 옴접촉층이 삽입된 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
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