KR20040057865A - Avalnche photodetector and phototransistor ahving internal RF-gain - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An avalanche light detecting device having inner RF(Radio Frequency)-gain and a photo transistor are provided to increase sensitivity, and obtain a high speed characteristic and a large bandwidth characteristic by using an avalanche gain structure layer. CONSTITUTION: An avalanche light detecting device is provided with a substrate(10), a conductive type collector layer(12) on the substrate, an emitter layer(30), and a light absorption layer(26) between the emitter and collector layer. The avalanche light detecting device further includes an avalanche gain structure layer between the light absorption layer and the collector layer for generating and controlling RF-gain of high frequency band. The avalanche gain structure includes an electric charge layer(20), an electrode(22) on the electric charge layer, and an amplification layer(18).

Description

내부 RF-이득을 갖는 아발란치 광검출소자 및 포토 트랜지스터{Avalnche photodetector and phototransistor ahving internal RF-gain}Avalanche photodetector and phototransistor ahving internal RF-gain

본 발명은 고주파수 대역의 내부 RF-이득을 갖는 아발란치 광검출소자 및 포토 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광흡수층과 콜렉터층 사이에 이차 전하들의 인터밸리 수송(intervalley transfer)에 의한 고주파 대역의 RF-이득을 생성 및 제어할 수 있는 아발란치 이득 구조층을 포함하는 아발란치 광검출기 및 포토 트랜지스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to avalanche photodetectors and phototransistors having an internal RF-gain in a high frequency band, and more particularly, to a high frequency band by intervalley transfer of secondary charges between a light absorbing layer and a collector layer. An avalanche photodetector and phototransistor comprising an avalanche gain structure layer capable of generating and controlling an RF-gain

근래에 들어 초고속 대용량 광통신 시스템, 영상처리 시스템에 필수적으로 사용되는 광수신(검출)소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이들 소자들의 고속화, 고감도화 등은 주요한 문제점으로 대두되고 있다.In recent years, research has been actively conducted on optical reception (detection) devices which are essential for ultra-high-capacity optical communication systems and image processing systems, and high speed and high sensitivity of these devices have emerged as major problems.

최근 수년 동안 분자빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy), 금속 유기화합물 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)등의 반도체 성장기술이 발전함에 따라 이질접합 구조를 사용하는 반도체 광전 장치들의 개발이 활성화되어 왔다.In recent years, with the development of semiconductor growth technologies such as molecular beam epitaxy and metal organic chemical vapor deposition, development of semiconductor optoelectronic devices using heterojunction structures has been activated.

반도체 이질접합 구조의 에너지 밴드 정렬 (band line-up)로 인해,GaSb/InAs, InAs/ZnTe, GaAs/Al(Ga)As, InGaAs/InAlAs/InP 등의 물질을 기반으로 하는 벌크층, 박막, 양자우물, 양자선, 양자점 구조들에서, 전자나 인터밴드 천이(interband transition), 또는 양자속박 준위(quantum-confined states)간 전자의 천이에 의해 적외선 영역의 빛을 흡수하거나 빛을 방출하는 현상의 연구, 적외선 흡수 및 생성 기능, 튜너블 기능(tunability, voltage-controlled)등에 대한 연구 및 수신 소자의 고속화, 수신소자의 고포화 전류화 연구, 열(hot)전자현상을 이용한 초고속화 연구 등이 활발히 진행되고 있으며, 이는 초고속 광수신기, 스위칭 장치(ultra-high speed swiching device), 논리 소자(logic device)로의 응용 등의 기술적 중요성을 가지고 있다.Bulk band, thin film, based on materials such as GaSb / InAs, InAs / ZnTe, GaAs / Al (Ga) As, InGaAs / InAlAs / InP due to the energy band-up of the semiconductor heterojunction structure. In quantum wells, quantum lines, and quantum dot structures, the phenomenon of absorbing or emitting light in the infrared region by electrons or interband transitions, or electron transitions between quantum-confined states. Research, research on infrared absorption and generation function, tunability (voltage-controlled), etc., high speed of receiving device, high saturation current of receiving device, ultra-high speed research using hot electron phenomenon This is of great importance, which has technical significance in applications such as ultra-fast optical receivers, ultra-high speed swiching devices, and logic devices.

그러나, 종래의 아발란치 광검출기는, PIN 광검출기에 비해서, 높은 감도를 가진 장점이 있으나, 아발란치 이득을 얻기 위해 매우 높은 전압이 요구되며, 고전류-이득 영역에서 속도가 느린 단점이 있으며, 출력 전류가 낮아 전기적 전치증폭기 회로(preamplifier)가 필요한 문제점이 있다.However, conventional avalanche photodetectors have the advantage of having higher sensitivity than PIN photodetectors, but require very high voltage to obtain avalanche gain, and have the disadvantage of being slow in the high current-gain region. In addition, the output current is low, there is a problem that an electrical preamplifier circuit (preamplifier) is required.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 새로운 구조를 갖는 아발란치 광검출소자를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an avalanche photodetector having a novel structure.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상대적으로 낮은 전압을 인가하여 높은 이득을 성취하여 감도를 증가시키고 고 전류-이득 영역에서 고속 특성을 획득할 수 있으며, 큰 대역폭(-3dB bandwith, f3dB) 특성을 갖는 광검출 소자를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to achieve a high gain by applying a relatively low voltage to increase the sensitivity and obtain high speed characteristics in the high current-gain region, and has a large bandwidth (-3dB bandwith, f 3dB ) characteristics It is to provide a photodetecting device having.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 고주파수 대역의 내부 RF-이득 아발란치 광검출기 구조의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a structure of an internal RF-gain avalanche photodetector in a high frequency band according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내부 RF-이득 공진구도 아발란치 검출를 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating internal avalanche detection of an internal RF-gain resonator according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로(waveguide-fed)형 포토 트랜지스터 구조의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a structure of a waveguide-fed photo transistor according to an embodiment of the present invention.

도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 일실시예에 의한 아발란치 광검출소자의 광흡수층으로 가능한 예들을 도시한 도면들이다.4A to 4H illustrate examples of possible light absorbing layers of an avalanche photodetector according to an embodiment of the present invention.

도 5a는 아발란치 광검출소자에서 전압이 인가되지 않은 상태(열평형 상태)에서 에미터층, 콜렉터층 및 전하층들의 에너지 밴드 다이어그램이고, 도 5b는 외부 전압 인가시 에미터층, 콜렉터층 및 전하층들의 에너지 밴드 다이어그램이다.FIG. 5A is an energy band diagram of an emitter layer, a collector layer, and a charge layer in a state where no voltage is applied (thermal equilibrium) in an avalanche photodetector, and FIG. 5B is an emitter layer, collector layer, and charge layer when an external voltage is applied. Energy band diagram.

도 6a 및 도 6b는 전자의 인터 서브밴드간 천이를 이용하는 아발란치 광검출 장치 구조예에서 전압인가에 따른 에너지 상태를 나타내는 에너지 밴드 다이어그램들이다.6A and 6B are energy band diagrams showing an energy state according to voltage application in an example of a structure of an avalanche photodetector using an inter-interband transition of electrons.

도 7 내지 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 아발란치 광검출소자의 증폭층에서 아발란치 항복 전압보다 높은 전압의 인가되는 경우, 이차 전자들의 인터밸리 수송에 의해 고전류-이득 영역에서 고주파 대역의 내부 Rf 이득 특성을 보여주는 광검출소자의 특성 측정곡선들이다.7 to 14 illustrate a high frequency in the high current-gain region due to intervalley transport of secondary electrons when a voltage higher than the avalanche breakdown voltage is applied in the amplification layer of the avalanche photodetector according to an embodiment of the present invention. Characteristic measurement curves of the photodetector showing the internal Rf gain characteristics of the band.

상술한 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일측면은 기판, 기판 상에 형성된 도전형의 콜렉터층, 에미터층 및 에미터층과 콜렉터층 사이에 광흡수층;을 포함하는 아발란치 광검출소자에 있어서, 광흡수층과 콜렉터층 사이에, 이차 전하들의 인터밸리 수송에 의한 고주파 대역의 RF-이득을 생성 및 제어할 수 있는 아발란치 이득 구조층을 포함하는 아발란치 광검출소자를 제공한다.As a means for solving the above problems, one side of the present invention is a Avalanche photodetector comprising a substrate, a conductive collector layer, an emitter layer and a light absorption layer between the emitter layer and the collector layer formed on the substrate; An avalanche photodetector comprising: an avalanche gain structure layer capable of generating and controlling RF-gain in a high frequency band by intervalley transport of secondary charges between a light absorbing layer and a collector layer.

아발란치 이득 구조층은 차례로 형성된 전하층, 전하층 전극 및 증폭층을 포함하여 구성가능하다.The avalanche gain structure layer may include a charge layer, a charge layer electrode, and an amplification layer formed in turn.

또한, 증폭층은 벌크형 단일 물질층 또는 초격자 (superlattice)구조로 구성될 수 있다.In addition, the amplification layer may be composed of a bulk single material layer or a superlattice structure.

콜렉터층과 상기 증폭층 사이 및/또는 상기 전하층과 광흡수층 사이에 불순물의 확산을 조절하는 스페이서층(들)을 더 포함할 수 있다.It may further comprise a spacer layer (s) for controlling the diffusion of impurities between the collector layer and the amplification layer and / or between the charge layer and the light absorbing layer.

한편, 전하층과 광흡수층 사이에는 스페이서층이 더 포함되고, 상기 스페이서층은 i-InGaAlAs 점진 스페이서층(이 경우, InGa0.47(1-x)Al0.47xAs, x는 1에서 0으로 변화)이 바람직하다.Meanwhile, a spacer layer is further included between the charge layer and the light absorption layer, and the spacer layer is an i-InGaAlAs gradual spacer layer (in this case, InGa 0.47 (1-x) Al 0.47x As, and x is changed from 1 to 0). This is preferred.

또한, 광흡수층과 상기 에미터층 사이에도 불순물의 확산을 조절하는 스페이서층을 더 포함할 수 있다.In addition, the light absorbing layer and the emitter layer may further include a spacer layer for controlling the diffusion of impurities.

한편, 광흡수층은 벌크형 단일 물질층, 자기정렬 양자점(Self-assembled quantum dot) 구조, 양자우물구조, 양자점 어레이(array) 또는 양자선들의 어레이일 수 있다. 구체적으로 광흡수층은 1000Å이하의 i-InGaAs 단일 물질, GaAs층과 InAs양자점의 1회 이상의 적층, -InAlAs층, InGaAs 양자우물층 및 절연층의 1회 이상의 적층등으로 형성가능하다.The light absorbing layer may be a bulk single material layer, a self-assembled quantum dot structure, a quantum well structure, an array of quantum dots, or an array of quantum lines. Specifically, the light absorption layer may be formed of at least one layer of i-InGaAs of less than 1000 Hz, one or more laminations of GaAs and InAs quantum dots, one or more laminations of -InAlAs layers, InGaAs quantum well layers, and insulating layers.

한편, 아발란치 광검출소자는 전하층과 콜렉터 사이에 인가되는 전압에 의해, 전자들이 상기 전하층 및 증폭층을 통과하면서 증폭되는 동시에, 이차적으로 전자들의 인터밸리 수송에 의한 고주파수 영역의 내부 RF-이득이 생성되도록 구성할 수 있다.On the other hand, the avalanche photodetector is amplified by the voltage applied between the charge layer and the collector while passing through the charge layer and the amplification layer, and secondly the internal RF- of the high frequency region by the intervalley transport of the electrons. The gain can be configured to be generated.

콜렉터층과 상기 기판 사이에는 λ/4 스택의 하부 미러층을 더 구비가능하고, 에미터층 상부에는 상부 미러층을 더 구비가능하다. 바람직하게는 하부 미러층은InAlAs/InAlGaAs층을 1쌍 이상의 λ/4(quarter-wave) 스택으로 형성한 구조이고, 기 부 미러층은 MgO/Si층으로 이루어진 유전체 다중층일 수 있다.A lower mirror layer of the λ / 4 stack may be further provided between the collector layer and the substrate, and an upper mirror layer may be further provided on the emitter layer. Preferably, the lower mirror layer has a structure in which an I n AlAs / InAlGaAs layer is formed of one or more pairs of λ / 4 (quarter-wave) stacks, and the base mirror layer may be a dielectric multilayer consisting of an MgO / Si layer.

본 발명의 다른 측면은 상술한 아발란치 광검출소자의 구조와, 콜렉터층과 상기 기판 사이에 광도파로층 및 가이딩층을 포함하여 광도파로형으로 제작된 포토 트랜지스터를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a phototransistor fabricated in an optical waveguide type including the structure of the avalanche photodetecting device described above, and an optical waveguide layer and a guiding layer between the collector layer and the substrate.

광도파로층은 InGaAlAs층으로 이루어질 수 있고, 가이딩층은 InAlAs층으로 이루어질 수 있다.The optical waveguide layer may be formed of an InGaAlAs layer, and the guiding layer may be formed of an InAlAs layer.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명한다.그러나, 본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited by the embodiments described below. It should not be construed as Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

도 1은 고주파수 대역의 내부 RF-이득 아발란치 광검출기(avalanche photodetector) 구조의 단면도이다. 고전류-이득(high current gain)하에서 고주파 대역의 내부 RF-이득 특성을 갖는 고출력 3단자 광검출기 장치 구조의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an internal RF-gain avalanche photodetector structure in the high frequency band. A cross-sectional view of a high power three-terminal photodetector device structure with internal RF-gain characteristics in the high frequency band under high current gain.

아발란치 광검출기는 기판(10)상에 형성된 도전형 콜렉터층(12), 그 상의 일부에 형성된 콜렉터 전극(14), 증폭층(18), 전하층(20), 광흡수층(26), 에미터층(30), 에미터 전극(32) 및 전하층 전극(22)을 포함하여 구성된다. 한편, 콜렉터층(12)과 증폭층(18) 사이, 전하층(20)과 광흡수층(26) 사이, 그리고 광흡수층(26)과 이미터층(30) 사이에 각각 제 1 스페이서층(16), 제 2 스페이서층(24) 및 제 3 스페이서층(28)이 부가될 수 있다. 이와 같은 스페이서층들(16,24,28)은 불순물(impurity)의 확산 조절 등의 기능을 수행한다.The avalanche photodetector includes a conductive collector layer 12 formed on the substrate 10, a collector electrode 14 formed on a portion thereof, an amplification layer 18, a charge layer 20, a light absorption layer 26, And an emitter layer 30, an emitter electrode 32, and a charge layer electrode 22. Meanwhile, the first spacer layer 16 is disposed between the collector layer 12 and the amplification layer 18, between the charge layer 20 and the light absorption layer 26, and between the light absorption layer 26 and the emitter layer 30, respectively. The second spacer layer 24 and the third spacer layer 28 may be added. The spacer layers 16, 24, and 28 perform functions such as diffusion control of impurity.

전자의 아발란치 이득 구조층은 전하층(20), 전하층 전극(22) 및 증폭층(18)을 포함하여 구성되며, 광흡수층(26)과 콜렉터층(12) 사이에 부가된다.The avalanche gain structure layer of electrons comprises a charge layer 20, a charge layer electrode 22, and an amplification layer 18, and is added between the light absorption layer 26 and the collector layer 12.

광흡수층(26)에 적용될 수 있는 구조를 예를 들어 설명하면, 벌크형(bulk-type) 단일 물질층, 자기정렬 양자점(Self-assembled quantum dot) 구조, 얇은 박막, 양자우물구조, 양자점 어레이(array) 또는 양자선들의 어레이 등이 가능하다.For example, a structure that may be applied to the light absorption layer 26 may be described as a bulk-type single material layer, a self-assembled quantum dot structure, a thin film, a quantum well structure, and an array of quantum dots. Or an array of quantum wires.

증폭(multiplication)층(18)은 벌크형 단일 물질층 또는 초격자 (superlattice)구조로 이루어질 수 있다.The multiplication layer 18 may be made of a bulk single material layer or a superlattice structure.

본 실시예에 적용가능한 물질을 예시하여 보면, 에미터 전극(32)은 Ti/Pt/Au로 이루어질 수 있으며, 에미터층(30)은 P+-InAlAs, 1000Å이하의 제 3 스페이서층(28)은 i-InAlAs, 광흡수층(26)은 약 1 ㎛ 이하의 i-InGaAs 단일 물질, 1000Å이하의 i-InGaAlAs 점진 스페이서층(graded layer:24) (이 경우, InGa0.47(1-x)Al0.47xAs, x는 1에서 0으로 변화), 아발란치 이득 구조층 (1000Å 이하의 p-InAlAs 전하층(20), Ti/Pt/Au 전하층 전극(22), 2000Å이하의 i-InAlAs 증폭층(18))) 및 1000Å이하의 n-InAlAs 스페이스층(16), 3000Å이상의 n-InAlAs 콜렉터층(12), Au/Ge/Ni 콜렉터 전극(14), S.I.-InP 기판(10)의 구성으로 이루어질 수 있다.As an example of a material applicable to the present embodiment, the emitter electrode 32 may be formed of Ti / Pt / Au, and the emitter layer 30 may be formed of P + -InAlAs, and the third spacer layer 28 of 1000 Å or less may be formed. i-InAlAs, light absorbing layer 26 is an i-InGaAs single material of about 1 μm or less, i-InGaAlAs graded spacer layer 24 of 1000 μs or less (in this case InGa 0.47 (1-x) Al 0.47x As, x changes from 1 to 0), an avalanche gain structure layer (p-InAlAs charge layer 20 of 1000 Å or less, Ti / Pt / Au charge layer electrode 22, i-InAlAs amplification layer of 2000 Å or less) (18))) and an n-InAlAs space layer 16 of 1000 ns or less, an n-InAlAs collector layer 12 of 3000 ns or more, an Au / Ge / Ni collector electrode 14, and an SI-InP substrate 10. Can be done.

이하, 상술한 아발란치 광검출기의 다른 적용예를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고주파수 대역의 내부 RF-이득 공진구도 아발란치 검출기(resonant-cavity avalanche photodetector)를 도시한 도면이고, 도 3은 광도파로(waveguide-fed)형 포토트랜지스터(photo transistor) 구조의 단면도이다.Hereinafter, another application example of the above-described avalanche photodetector will be described. FIG. 2 is a diagram illustrating an internal RF-gain resonant avalanche photodetector in a high frequency band according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a waveguide-fed phototransistor. It is sectional drawing of a (photo transistor) structure.

도 2의 공진구도 아발란치 검출기는 기판(110)상에 형성된 도전형 콜렉터(112), 그 상의 일부에 형성된 콜렉터 전극(114), 증폭층(118), 전하층(120), 광흡수층(126), 에미터 전극(132) 및 전하층 전극(122)을 포함하여구성되고, 콜렉터층(112)과 증폭층(118) 사이, 전하층(120)과 광흡수층(126) 사이, 그리고 광흡수층(126)과 이미터층(130) 사이에 각각 제 1 스페이서층(116), 제 2 스페이서층(124) 및 제 3 스페이서층(128)이 부가된 구성은 도 1과 거의 유사하다. 따라서, 설명의 편의를 위해 도 1의 구조와 차이점을 기준으로 설명한다.The resonance sphere avalanche detector of FIG. 2 includes a conductive collector 112 formed on the substrate 110, a collector electrode 114 formed on a portion thereof, an amplifying layer 118, a charge layer 120, and a light absorbing layer ( 126, including an emitter electrode 132 and a charge layer electrode 122, between the collector layer 112 and the amplification layer 118, between the charge layer 120 and the light absorption layer 126, and light The configuration in which the first spacer layer 116, the second spacer layer 124, and the third spacer layer 128 are added between the absorber layer 126 and the emitter layer 130 is almost similar to that of FIG. 1. Therefore, for the convenience of description, the description will be made based on the structure and difference of FIG. 1.

공진 구도는 콜렉터층(112)과 기판(110) 사이에 InAlAs/InAlGaAs 등으로 이루어진 λ/4(quarter-wave) 스택(예를 들어, 30쌍의 InAlAs층(약 1121Å)/ InGaAlAs층(약 1110Å)의 하부 미러층(36), 에미터층(130) 상에 MgO/Si층을 약 1,100 Å/약 2000Å으로 유전체 다중층(dielectric multilayer)으로 형성한 상부 미러층(134)으로 구성된 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같은 공진구도(resonant cavity) 구조의 도입은 광전 소자의 초고속화를 가능하게 한다.The resonance structure is a λ / 4 (quarter-wave) stack made of InAlAs / InAlGaAs or the like between the collector layer 112 and the substrate 110 (for example, 30 pairs of InAlAs layers (about 1121 Hz) / InGaAlAs layers (about 1110 Hz). Lower mirror layer 36, and an upper mirror layer 134 formed of a dielectric multilayer of about 1,100 Å / about 2000 Å on the emitter layer 130 The introduction of such a resonant cavity structure enables the high speed of the photoelectric device.

본 공진구도 아발란치 검출기에 적용가능한 물질을 예시하여 보면, 에미터층(130)은 P+-InAlAs, 제 3 스페이서층(128)은 i-InAlAs, 광흡수층(126)은 1000Å이하의 i-InGaAs 단일 물질, i-InGaAlAs 점진 스페이서층(graded layer:124) (이 경우, InGa0.47(1-x)Al0.47xAs, x는 1에서 0으로 변화), 아발란치 이득 구조층(1000Å 이하의 p-InAlAs 전하층(120), 전하층 전극(122), 2000Å이하의 i-InAlAs 증폭층(118)), n-InAlAs 스페이스층(116) 및 n-InAlAs 콜렉터층(112)의 구성으로 이루어 질수 있다.As an example of the material applicable to the resonant avalanche detector, the emitter layer 130 is P + -InAlAs, the third spacer layer 128 is i-InAlAs, and the light absorption layer 126 is i-InGaAs of 1000 Å or less. Single material, i-InGaAlAs graded spacer layer 124 (in this case, InGa 0.47 (1-x) Al 0.47x As, x varies from 1 to 0), avalanche gain structure layer (less than 1000µs ) a p-InAlAs charge layer 120, a charge layer electrode 122, an i-InAlAs amplification layer 118 of 2000 Hz or less), an n-InAlAs space layer 116, and an n-InAlAs collector layer 112 I can't.

이하, 상술한 아발란치 광검출기의 다른 적용예인 포토트랜지스터(photo transistor)를 설명한다. 도 3의 광도파로형 포토트랜지스터(waveguide-fed phototransistor)는 기판(210)상에 형성된 도전형 컬렉터층(212), 그 상의 일부에 형성된 콜렉터 전극(214), 증폭층(218), 전하층(220), 광흡수층(226), 에미터 전극(232) 및 전하층 전극(222)을 포함하여 구성되고, 콜렉터층(212)와 증폭층(218) 사이, 전하층(220)과 광흡수층(226) 사이, 그리고 광흡수층(226)과 이미터층(230) 사이에 각각 제 1 스페이서층(216), 제 2 스페이서층(224) 및 제 3 스페이서층(228)이 부가된 구성은 도 1과 거의 유사하다. 따라서, 설명의 편의를 위해 도 1의 구조와 차이점을 기준으로 설명한다. 콜렉터층(212)과 기판(210) 사이에 광도파로층(234) 및 가이딩층(236)을 포함하여 구성된 점이 도 1의 아발란치 광검출기와는 구별된다.Hereinafter, a photo transistor which is another application example of the above-described avalanche photodetector will be described. The waveguide-fed phototransistor of FIG. 3 includes a conductive collector layer 212 formed on a substrate 210, a collector electrode 214 formed on a portion thereof, an amplification layer 218, and a charge layer ( And a light absorbing layer 226, an emitter electrode 232, and a charge layer electrode 222, between the collector layer 212 and the amplification layer 218, and the charge layer 220 and the light absorbing layer ( The first spacer layer 216, the second spacer layer 224, and the third spacer layer 228 are added between 226 and between the light absorption layer 226 and the emitter layer 230, respectively. Almost similar. Therefore, for the convenience of description, the description will be made based on the structure and difference of FIG. 1. The point including the optical waveguide layer 234 and the guiding layer 236 between the collector layer 212 and the substrate 210 is distinguished from the avalanche photodetector of FIG. 1.

본 광도파로형 포토트랜지스터에 적용 가능한 물질을 예시하여 보면, 광도파로층(234)은 예컨대 1,600Å의 InGaAlAs층으로 구성가능하고 가이딩층(236)은 예컨대 5,000Å의 InAlAs층로 구성가능하다. 한편, 에미터층(230)은 P+-InAlAs, 제 3 스페이서층(228)은 i-InAlAs, 광흡수층(226)은 1000Å이하의 i-InGaAs 단일 물질로 각각 구성가능하며, i-InGaAlAs 점진 스페이서층(graded layer:124) (이 경우, InGa0.47(1-x)Al0.47xAs, x는 1에서 0으로 변화), 아발란치 이득 구조층(1000Å 이하의 p-InAlAs 전하층(220), 전하층 전극(222), 2000Å이하의 i-InAlAs 증폭층(218) 및 n-InAlAs 스페이스층(116) 및 n-InAlAs 콜렉터층(212)의 구성으로 이루어 질수 있다.As an example of a material applicable to the present optical waveguide phototransistor, the optical waveguide layer 234 may be composed of an InGaAlAs layer of, for example, 1,600 mW, and the guiding layer 236 may be composed of an InAlAs layer of, for example, 5,000 mW. Meanwhile, the emitter layer 230 may be formed of P + -InAlAs, the third spacer layer 228 may be composed of i-InAlAs, and the light absorbing layer 226 may be formed of a single i-InGaAs material of 1000 Å or less. (graded layer: 124) (in this case, InGa 0.47 (1-x) Al 0.47x As, x varies from 1 to 0), avalanche gain structure layer (p-InAlAs charge layer 220 of 1000 Å or less), The charge layer electrode 222, the i-InAlAs amplification layer 218 of 2000 mV or less, the n-InAlAs space layer 116, and the n-InAlAs collector layer 212 may be configured.

이하, 도 4a 내지 도 4h를 참조하여 광흡수층으로 적용 가능한 구조들을 설명한다.Hereinafter, the structures applicable to the light absorption layer will be described with reference to FIGS. 4A to 4H.

도 4a는 벌크형의 단일 물질층, 또는 얇은 박막으로 에미터의 광흡수층들의 평면도 및 단면도를 도시하고 있다. 전술한 바와 같이 1000Å이하의 i-InGaAs 단일 물질로 구성될 수 있다.4A shows a plan view and a cross-sectional view of an emitter of light absorbing layers in a bulk single layer of material, or a thin film. As described above, it may be composed of a single material of i-InGaAs of 1000 mW or less.

도 4b는 셀프-어셈블드 양자점 어레이의 단일층 또는 적층구조의 평면도 및 단면도이다. 도면부호 401은 예를 들어 500Å이하의 GaAs층, 402는 InAs 양자점일 수 있다.4B is a plan view and a cross-sectional view of a single layer or stacked structure of a self-assembled quantum dot array. Reference numeral 401 may be a GaAs layer of 500 mW or less, and 402 may be an InAs quantum dot.

도 4c는 이중장벽 양자우물형 에피구조에서 수평적 속박과정 (lateral confinement)를 통하여 형성된 양자점 어레이층 구조의 평면도 및 단면도를 도시하고 있다. 도면부호 501은 i-InAlAs층, 502는 100Å이하의 InGaAs 양자우물층, 503은 절연층으로 구성될 수 있다. 또한 양자점 어레이는 크기가 다른 양자점들로 구성되면, 흡수파장대역이 넓어질수 있다.4C illustrates a plan view and a cross-sectional view of a quantum dot array layer structure formed through a horizontal confinement in a double barrier quantum well type epi structure. Reference numeral 501 denotes an i-InAlAs layer, 502 denotes an InGaAs quantum well layer of 100 kΩ or less, and 503 denotes an insulating layer. Also, if the quantum dot array is composed of quantum dots of different sizes, the absorption wavelength band can be widened.

도 4d는 에미터의 광흡수층 구조로 이중장벽 양자우물 구조를 이용한 수직 양자점 어레이 구조층의 평면도 및 단면도이다. 도면부호 501은 i-InAlAs층, 502는 100Å이하의 InGaAs 양자우물층, 503은 절연층으로 구성될 수 있다.4D is a plan view and a cross-sectional view of a vertical quantum dot array structure layer using a double barrier quantum well structure as an emitter light absorbing layer structure. Reference numeral 501 denotes an i-InAlAs layer, 502 denotes an InGaAs quantum well layer of 100 kΩ or less, and 503 denotes an insulating layer.

도 4e는 에미터의 광흡수층 구조로 삼중장벽 양자우물구조를 이용한 수직 양자선 어레이 조합 구조층의 평면도 및 단면도이고, 도 4f는 양자점 어레이의 크기를 다른 양자점들로 구성하여 흡수파장대역을 변화시킨 경우이다. 도면부호 601은 i-AlAs층, 100Å 이하의 GaAs 양자우물층 및 603은 절연층으로 구성될 수 있다.4E is a plan view and a cross-sectional view of a vertical quantum line array combination structure layer using a triple barrier quantum well structure as the light absorption layer structure of the emitter, and FIG. 4F is a quantum dot array composed of different quantum dots to change the absorption wavelength band. If it is. Reference numeral 601 may be composed of an i-AlAs layer, a GaAs quantum well layer of 100 kΩ or less, and 603 may be an insulating layer.

도 4g는 삼중장벽 양자우물구조를 이용한 수평 양자선 어레이 조합 구조층의 평면도 및 단면도이고, 도 4h는 양자점 어레이의 크기를 다른 양자점들로 구성하여 흡수파장대역을 변화시킨 경우이다.4G is a plan view and a cross-sectional view of a horizontal quantum line array combination structure layer using a triple barrier quantum well structure, and FIG. 4H is a case in which the absorption wavelength band is changed by configuring the size of the quantum dot array with different quantum dots.

이하, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아발란치 광검출소자의 동작원리를 설명한다.Hereinafter, the operation principle of the avalanche photodetector according to the preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A and 5B.

도 5a는 전압이 인가되지 않은 상태(열평형 상태)에서 에미터층과 콜렉터층 그리고, 전하층들의 에너지 밴드 도표이고, 도 5b는 외부 전압 적용시 소자의 동작 상태의 예이다. V1은 에미터와 전하층 사이에 인가된 전압이며, V2는 전하층과 콜렉터 사이에 인가 되는 전압이다. V1과 V2는 서로 반대 극성(polarity)을 가지게 된다. 한편, 전자를 이용한 증폭 구조일 경우, V1은 역방향 전압인가 상태(negatively biased)이고, V2는 순방향 전압 인가상태(positively biased)가 된다. 여기서, VB2는 전하층과 콜렉터층에서의 빌크인 포텐셜(built-in potential)이고, 아발란치 이득 구조층에서의 전장의 세기는 이득 구조층 양단에 인가된 전압 V2에 의해 용이하게 조절된다.FIG. 5A is an energy band diagram of an emitter layer, a collector layer, and charge layers in a state where no voltage is applied (thermal equilibrium state), and FIG. 5B is an example of an operating state of the device when an external voltage is applied. V 1 is the voltage applied between the emitter and the charge layer, and V 2 is the voltage applied between the charge layer and the collector. V 1 and V 2 have opposite polarities. On the other hand, in the case of the amplification structure using electrons, V 1 is negatively biased and V 2 is positively biased. Where V B2 is the built-in potential in the charge and collector layers, and the strength of the electric field in the avalanche gain structure layer is easily controlled by the voltage V 2 applied across the gain structure layer. do.

광흡수층 내에서 전자들이 적외선 흡수에 의해 전도밴드로 밴드간 천이가 일어난다. 천이된 전자들이 외부 인가 전압 V2및 소자 내부의 빌트인 포텐셜(built-in potential)(VBI)에 의해 증폭되고, 콜렉터에 이르게 된다. 외부 인가 전압 V2는전자들이 전하층 및 증폭층을 통과하면서 증폭되는 동시에, 이차적으로 전자들의 인터밸리 수송에 의한 고주파수 영역의 내부 RF-이득이 생성되도록 용이하게 조절될 수 있다. 따라서 고전류 영역에서 큰 -3dB 대역폭 (-3dB bandwith, f3dB) 특성을 얻게 된다.In the light absorbing layer, the electrons are absorbed by infrared rays and the band-to-band transition occurs to the conduction band. The transitioned electrons are amplified by the external applied voltage V 2 and the built-in potential V BI inside the device, leading to the collector. The externally applied voltage V 2 can be easily adjusted so that electrons are amplified as they pass through the charge and amplification layers, while at the same time an internal RF-gain in the high frequency region is created by intervalley transport of electrons. This results in a large -3dB bandwidth (-3dB bandwith, f 3dB ) in the high current region.

본 발명의 아발란치 광검출소자에서는, 각 전극들에 부과되는 전압들의 조절에 의해 아발란치 이득 구조층(증폭층)에서의 이차 전자들의 인터밸리 수송에 의한 내부 RF-이득 효과를 용이하게 생성시키고, 제어할 수 있다.In the avalanche photodetector of the present invention, the internal RF-gain effect is easily generated by the intervalley transport of secondary electrons in the avalanche gain structure layer (amplification layer) by adjusting the voltages applied to the respective electrodes. Can be controlled.

따라서, 이를 통해 고전류-이득 영역에서 고속특성을 동시에 성취하고, 상대적으로 낮은 전압을 인가함으로써 높은 이득을 성취하여 감도의 증가가 가능하고, 내부 RF-이득에 의한 고기능성/신기능성이 부여되고, 소자의 항복전압을 줄여 안정성을 높일 수 있는 광검출소자의 구현이 가능하다.Therefore, through this, high speed characteristics are simultaneously achieved in the high current-gain region, and a high gain is achieved by applying a relatively low voltage, thereby increasing the sensitivity, and providing high functionality / new functionality by internal RF-gain, It is possible to implement a photodetector that can increase the stability by reducing the breakdown voltage of the device.

즉 얇은 증폭층을 포함한 아발란치 이득 구조층에서의 아발란치 증폭과정 (avalanche multiplication process)과 전하들의 인터밸리 수송 효과에 의한 고이득, 고감도성, 고속성, 안정성 등을 성취 할 수 있다.In other words, it is possible to achieve high gain, high sensitivity, high speed and stability due to the avalanche multiplication process in the avalanche gain structure layer including the thin amplification layer and the intervalley transport effect of charges.

고속 장거리 통신용, 단일 포톤 카운팅(Single photon counting), 낮은 광흡수율 등을 보상해 주기 위해 필요한 영역에 응용가능하다. 저전압을 사용으로 인한 많은 이점과 소자의 높은 이득의 성취 및 항복전압을 낮출 수 있다. 한편, 고속 광검출기, 고속 적외선 신호 탐지 및 증폭기, 광수신기(receiver)에 응용 가능하며, 고기능성의 고속 적외선 논리장치 등으로 응용이 가능하게 된다.It is applicable to the areas needed for high speed long distance communication, single photon counting, and low light absorption. Many advantages of using low voltage, high gain of the device and lower breakdown voltage can be achieved. On the other hand, it can be applied to high-speed photodetector, high-speed infrared signal detection and amplifier, optical receiver (receiver), it is possible to apply to a high-functional high-speed infrared logic device and the like.

따라서, 입사된 적외선에 의해, 광 흡수층에서 전자의 인터밴드 또는 인터서브밴드 천이가 일어나게 된다. 외부 전압 적용시, 광 신호의 흡수에 의해서 생성된 전자(혹은, 정공)들은, 전하층 및 증폭층 등을 통과하여 증폭될 수 있으므로, 증폭된 전기 신호들을 얻을 수 있다.Therefore, the incident infrared light causes interband or interband transition of electrons in the light absorbing layer. When an external voltage is applied, electrons (or holes) generated by absorption of an optical signal may be amplified through the charge layer, the amplification layer, and the like, thereby obtaining amplified electric signals.

한편, 에미터 전극과 콜렉터 전극에 각각 상대적 전압들을 인가시켜, 광전하들이 얇은 증폭층을 통과하면서, 아발란치 증폭이 일어나고, 이차 전자(excess electron)들의 인터밸리 수송(intervalley transfer)에 의한 트레블링 스페이서 전하 모드(traveling space charge mode)에 따른 RF-이득이 생성되도록 전압들을 인가할 수 있다.On the other hand, by applying relative voltages to the emitter electrode and the collector electrode, the avalanche amplification occurs while the photocharges pass through the thin amplification layer, and travel by intervalley transfer of the secondary electrons. Voltages may be applied to produce an RF-gain according to a ring spacer traveling mode of charge mode.

또한, 비교적 낮은 전압을 얇은 증폭층에 인가 시켜, 높은 이득영역에서 대역폭이 증가하여 고속 특성을 얻게 된다. 아발란치 이득 구조층의 조절(control), 즉, 전하층, 증폭층, 전극 컨택층 등의 불순물 도핑농도(impurity doping level), 두께(thickness), 부과되는 전장의 세기(electric field) 등은, 소자의 이득, 속도(speed)등의 성능에 중요한 요소들이다. 얇은 증폭 (multiplication) 층은 소자의 속도와 잡음 특성을 개선시킨다.In addition, by applying a relatively low voltage to the thin amplification layer, the bandwidth is increased in the high gain region to obtain a high speed characteristics. The control of the avalanche gain structure layer, that is, the impurity doping level, thickness, and electric field strength imposed on the charge layer, amplification layer, electrode contact layer, etc. , Device gain, speed, and so on. Thin multiplication layers improve the device's speed and noise characteristics.

또한 적외선 탐지기능의 에미터 광흡수층 구조로, 파장 및 적용 용도에 따라 벌크형 단일물질층, 박막, 초미세 양자우물구조의 에피를 이용하여 제작된 수직형 양자점, 또는 양자선들의 어레이 구조, 또는 셀프-어셈블드된 양자점 조합 구조층 등이 적용가능하다.In addition, emitter light absorbing layer structure with infrared detection function, vertical quantum dot, or array structure of quantum lines, or self-made using epitaxial bulk monolayer, thin film, ultra fine quantum well structure according to wavelength and application An assembled quantum dot combination structure layer or the like is applicable.

도 6a 및 도 6b는 전자의 인터 서브밴드 천이를 이용하는 아발란치 광검출 장치 구조예에서 전압인가에 따른 에너지 상태를 나타내는 에너지 밴드 도표이다.6A and 6B are energy band diagrams showing energy states according to voltage application in an example of a structure of an avalanche photodetector using an inter subband transition of electrons.

이 경우는 에미터 광흡수층 구조로 양자우물구조, 양자점 구조, 양자우물 구조 혹은 양자선 구조가 적용된 예로, 양자 광흡수층 내에서 전자들이 적외선 흡수에 의해 가파른(sharp) 여기(excited) 준위로 천이가 일어난다. 이는 양자점, 양자우물의 크기나 양자선의 폭에 의하여 컨트롤된다.In this case, the quantum well structure, the quantum dot structure, the quantum well structure, or the quantum wire structure is used as the emitter light absorbing layer structure. In the quantum light absorbing layer, electrons transition to a sharp excited level due to infrared absorption. Happens. This is controlled by the size of the quantum dot, the quantum well or the width of the quantum line.

도 6a는 무전압시(열평형 상태)에서의 위 장치의 구성층들의 에너지 밴드 다이어그램이고 도 6b는 외부전압 인가시 소자의 동작 상태의 에너지 밴드 다이어그램이다. 이 경우는 양자 광흡수층 내에서 전자들이 적외선 흡수에 의해 가파른 여기 준위로 천이가 일어난다. 이때, 여기 준위로 천이된 전자들이 외부 인가 전압 및 소자 내부의 빌트인 포텐셜에 의해, 블록킹 장벽, 전하층 및 증폭층에서 증폭 되고 인터밸리 전이가 일어나 콜렉터층에 이르게 된다.FIG. 6A is an energy band diagram of the constituent layers of the above device under no voltage (thermal equilibrium) and FIG. 6B is an energy band diagram of the operating state of the device when an external voltage is applied. In this case, electrons in the quantum light absorbing layer transition to a steep excitation level by infrared absorption. At this time, electrons transitioned to the excitation level are amplified in the blocking barrier, the charge layer, and the amplification layer by the external applied voltage and the built-in potential inside the device, and the intervalley transition occurs to reach the collector layer.

적외선 흡수 파장은 전자의 양자점, 양자우물, 혹은 양자선의 속박 에너지 준위들에 의해 결정된다. 또한 미러 구조의 도입은 공진구도를 형성하여, 양자 효율을 높이며, 소자의 성능을 향상시키고, 고속화를 성취하여, 초고속 적외선 신호 검출기를 가능케 할 수 있다.The infrared absorption wavelength is determined by the bound energy levels of the quantum dots, quantum wells, or quantum lines of electrons. In addition, the introduction of the mirror structure forms a resonance structure, improves the quantum efficiency, improves the performance of the device, and achieves high speed, thereby enabling an ultra-fast infrared signal detector.

(실험예)Experimental Example

이하, 본 발명에 따른 아발란치 광검출소자의 샘플을 제작하여 특성을 조사하였다. 특성을 조사하기 위한 아발란치 광검출소자는 도 1의 구조로 제작되었으며, 각 층의 물질 및 두께등을 상세히 제시하면 다음과 같다. 광검출 소자는 53ÅP+-InGaAs, 3700Å P+-InAlAs 에미터층, 700Å i-InAlAs 스페이서층, 550Å i-InGaAs 광흡수층, 500Å i-InGaAlAs 점진 스페이서층, 아발란치 이득 구조층( 500Å p-InAlAs, 1500Å i-InAlAs 및 1,000Ån-InAlAs) 및 4,000Å n-InAlAs 콜렉터층, Ti/pt/Au p-전극 및 Au/Ge/Ni n-전극의 구성으로 이루어 졌다.Hereinafter, a sample of the avalanche photodetector device according to the present invention was manufactured and its properties were investigated. The avalanche photodetector for investigating the characteristics was manufactured in the structure of FIG. 1, and the materials and thicknesses of the layers are described in detail as follows. The photodetectors include a 53Å P + -InGaAs, 3700Å P + -InAlAs emitter layer, a 700Å i-InAlAs spacer layer, a 550Å i-InGaAs light absorbing layer, a 500Å i-InGaAlAs incremental spacer layer, an avalanche gain structure layer (500Å p-InAlAs, 1500Å) i-InAlAs and 1,000Ån-InAlAs) and 4,000Ån-InAlAs collector layer, Ti / pt / Au p-electrode and Au / Ge / Ni n-electrode.

도 7 내지 도 13은 얇은 증폭층에서 아발란치 항복전압보다 높은 전압의 인가되는 경우, 이차(secondary, excess) 전자들의 인터밸리 수송에 의해 고전류-이득 영역에서 고주파 대역의 내부 Rf 이득 특성을 보여주는 광검출소자의 특성 측정곡선들이다.7 to 13 show internal Rf gain characteristics of the high frequency band in the high current-gain region by intervalley transport of secondary and excess electrons when a voltage higher than the avalanche breakdown voltage is applied in the thin amplification layer. Characteristic measurement curves of the photodetecting device.

도 7 및 도 8은 전류-정(DC)전압 특성 측정곡선 예로 아발란치 항복 전압 이후에, 이차 전자들의 인터밸리 수송에 의한 NDR(negative differential resistance; negatice photoconducance) 특성을 보여주고 있다.7 and 8 show negative differential resistance (NDR) characteristics due to intervalley transport of secondary electrons after the avalanche breakdown voltage as an example of a current-positive voltage characteristic measurement curve.

도 9, 10 및 11은 주파수에 대한 응답 (frequency response) 특성을 측정한 곡선들이고, 도 12는 도 11의 정규화된 응답특성 곡선이다. 주파수 응답 특성 측정 곡선들을 통해, 아발란치 항복전압 보다 높은 전압을 부과함에 따라 고주파 대역의 응답특성이 좋아져, 점점 큰 3dB 밴드폭의 주파수 응답특성을 보여주고 있다.9, 10 and 11 are curves measuring frequency response characteristics, and FIG. 12 is a normalized response curve of FIG. 11. Through the frequency response characteristic measurement curves, as the voltage higher than the avalanche breakdown voltage is imposed, the response characteristic of the high frequency band is improved, showing a frequency response characteristic of an increasingly large 3dB bandwidth.

도 13 및 14는 대역폭-이득 특성 곡선으로, 고전류-이득 영역에서 높은 주파수 응답 특성을 보여주고 있다.13 and 14 are bandwidth-gain characteristic curves showing high frequency response characteristics in the high current-gain region.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail through the specific Example, this invention is not limited to this, It is clear that the deformation | transformation and improvement are possible by the person of ordinary skill in the art within the technical idea of this invention. .

따라서, 본 발명의 소자에 따른 고주파 대역의 내부 RF-이득을 갖는 아발란치 이득(gain) 구조층을 적용하면, 고전류-이득 영역에서 고속특성을 동시에 성취할수 있는 구조로 고감도, 저전압성취, 고이득전류 영역의 고주파수 응답특성, 안정성등을 성취할 수 있게 된다.Therefore, when the avalanche gain structure layer having the internal RF gain in the high frequency band according to the device of the present invention is applied, high sensitivity, low voltage performance, and high structure can be achieved simultaneously in the high current gain region. High frequency response characteristics and stability in the gain current region can be achieved.

또한, 저전압을 사용하므로 인해 많은 잇점을 가지게 되며, 고이득 성취로 인해, 낮은 광흡수율도 보상하고, 고출력, 고속화를 성취하며, 소자의 항복전압을 낮추는 안정성의 성취등 많은 장점을 가지며, 고기능성이 부여된다. 이는 기존의, 고전류-이득 영역에서 낮은 대역폭을 갖는 기존의 아발란치 광검출소자의 단점과는 반대되는 효과이다.In addition, the use of low voltage has many advantages, and the high gain achieves many advantages, such as compensation for low light absorption, high output and high speed, and achievement of stability that lowers the breakdown voltage of the device. Is given. This is the opposite effect of the disadvantages of conventional avalanche photodetectors with low bandwidth in the high current-gain region.

또한, 광흡수층 구조의 선택 자유도에 의해, 다양한 영역의 적외선 신호의 선택 및 처리도 가능하다. 장거리 통신용, 단일 포톤 카운팅(Single photon counting) 등 매우 높은감도를 요구하는 하는 데에도 사용될 수 있다.In addition, the degree of freedom of selection of the light absorption layer structure enables selection and processing of infrared signals in various regions. It can also be used to request very high sensitivity, such as for long distance communication, single photon counting, and so on.

또한, 고주파 영역에서의 높은 전류-이득의 성취는 전치 증폭기 (preamplifier) 기능을 대신할 수 있게 되어, 고속 광검출기, 고속 적외선 신호 탐지기 및 증폭기에 응용되며 자유도 증가로 인한 초고속 스위칭 및 논리장치 (digital logic), 새로운 기능/다기능의 고속 적외선 논리장치 등으로 응용이 가능하여, 광수신기(photo-receiver) 발전에 기여하게 되는 효과가 있다.In addition, the achievement of high current-gain in the high frequency range can be substituted for the preamplifier function, which is applied to high speed photodetectors, high speed infrared signal detectors and amplifiers, and the high speed switching and logic devices due to increased degrees of freedom. It can be applied to digital logic, new function / multifunction high speed infrared logic device, etc., which contributes to the development of photo-receiver.

Claims (15)

기판; 상기 기판 상에 형성된 도전형의 콜렉터층; 에미터층; 및 상기 에미터층과 상기 콜렉터층 사이에 광흡수층;을 포함하는 아발란치 광검출소자에 있어서,Board; A conductive collector layer formed on the substrate; Emitter layer; An avalanche photodetector comprising: and a light absorption layer between the emitter layer and the collector layer. 상기 광흡수층과 콜렉터층 사이에, 이차 전하들의 인터밸리 수송에 의한 고주파 대역의 RF-이득을 생성 및 제어할 수 있는 아발란치 이득 구조층을 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.And an avalanche gain structure layer capable of generating and controlling a high-frequency band RF gain by intervalley transport of secondary charges between the light absorbing layer and the collector layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 아발란치 이득 구조층은 차례로 형성된 전하층, 전하층 전극 및 증폭층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.And the avalanche gain structure layer comprises a charge layer, a charge layer electrode, and an amplification layer, which are sequentially formed. 제 2 항에 있어서, 상기 증폭층은 벌크형 단일 물질층 또는 초격자 (superlattice)구조로 구성된 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.The avalanche photodetector device of claim 2, wherein the amplification layer comprises a bulk single material layer or a superlattice structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 콜렉터층과 상기 증폭층 사이 및/또는 상기 전하층과 광흡수층 사이에 불순물의 확산을 조절하는 스페이서층(들)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.And an spacer layer (s) for controlling diffusion of impurities between the collector layer and the amplification layer and / or between the charge layer and the light absorbing layer. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 전하층과 광흡수층 사이에는 스페이서층이 더 포함되고, 상기 스페이서층은 i-InGaAlAs 점진 스페이서층(이 경우, InGa0.47(1-x)Al0.47xAs, x는 1에서 0으로 변화)인 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.A spacer layer is further included between the charge layer and the light absorption layer, and the spacer layer is an i-InGaAlAs gradual spacer layer (in this case, InGa 0.47 (1-x) Al 0.47x As, where x is changed from 1 to 0). Avalanche photodetector, characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광흡수층과 상기 에미터층 사이에 불순물의 확산을 조절하는 스페이서층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.And an spacer layer for controlling diffusion of impurities between the light absorption layer and the emitter layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광흡수층은 벌크형 단일 물질층, 자기정렬 양자점(Self-assembled quantum dot) 구조, 양자우물구조, 양자점 어레이(array) 또는 양자선들의 어레이인 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.And the light absorbing layer is a bulk single material layer, a self-assembled quantum dot structure, a quantum well structure, an array of quantum dots, or an array of quantum lines. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 광흡수층은 1000Å이하의 i-InGaAs 단일 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.The light absorbing layer is an avalanche photodetector, characterized in that composed of a single material i-InGaAs of less than 1000Å. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 광흡수층은 GaAs층과 InAs양자점의 1회 이상의 적층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.The light absorbing layer is an avalanche photodetector, characterized in that the GaAs layer and InAs quantum dot one or more laminated. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 광흡수층은 i-InAlAs층, InGaAs 양자우물층 및 절연층의 1회 이상의 적층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.The light absorbing layer is an avalanche photodetector, characterized in that consisting of at least one stack of the i-InAlAs layer, InGaAs quantum well layer and the insulating layer. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 전하층과 상기 콜렉터 사이에 인가 되는 전압에 의해, 전자들이 상기 전하층 및 상기 증폭층을 통과하면서 증폭되는 동시에, 이차적으로 전자들의 인터밸리 수송에 의한 고주파수 영역의 내부 RF-이득이 생성되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.By the voltage applied between the charge layer and the collector, electrons are amplified while passing through the charge layer and the amplification layer, and at the same time, the internal RF-gain of the high frequency region is generated by the intervalley transport of electrons. An avalanche photodetector, characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 콜렉터층과 상기 기판 사이에는 λ/4 스택의 하부 미러층을 더 구비하고, 상기 에미터층 상부에는 상부 미러층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.And a lower mirror layer of a λ / 4 stack between the collector layer and the substrate, and an upper mirror layer on the emitter layer. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 하부 미러층은InAlAs/InAlGaAs층을 1쌍 이상의 λ/4(quarter-wave) 스택으로 형성한 구조이고, 상기 상부 미러층은 MgO/Si층으로 이루어진 유전체 다중층인 것을 특징으로 하는 아발란치 광검출소자.The lower mirror layer is a structure in which an I nAlAs / InAlGaAs layer is formed of one or more pairs of λ / 4 (quarter-wave) stacks, and the upper mirror layer is a dielectric multilayer comprising an MgO / Si layer. Photodetector. 제 1 항 내지 제 13항 중 어느 하나의 항에 의한 아발란치 광검출소자의 구조; 및A structure of an avalanche photodetector device according to any one of claims 1 to 13; And 상기 콜렉터층과 상기 기판 사이에 광도파로층 및 가이딩층을 포함하여 광도파로형으로 제작된 것을 특징으로 하는 포토 트랜지스터.And a light waveguide layer and a guiding layer between the collector layer and the substrate. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 광도파로층은 InGaAlAs층으로 이루어 지고, 상기 가이딩층은 InAlAs층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 포토 트랜지스터.The optical waveguide layer is formed of an InGaAlAs layer, and the guiding layer is formed of an InAlAs layer.
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