KR20070009474A - 광 검출 시스템, 와이드 밴드갭 반도체 초점판 어레이 모듈및 실리콘 탄화물 픽셀 어레이 제조방법 - Google Patents

광 검출 시스템, 와이드 밴드갭 반도체 초점판 어레이 모듈및 실리콘 탄화물 픽셀 어레이 제조방법 Download PDF

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Abstract

하나의 광 검출 시스템은 전기 접속부(20)를 포함하는 연성 상호 접속층(18)상에 물리적으로 그리고 전기적으로 집적되는 와이드 밴드갭 광 검출기 어레이(10)를 포함하는데, 이는 프로세싱 전자소자(14)와 함께 전기적으로 집적되어, 패키징 및 프로세싱 전자 소자가 광 검출기 어레이에 의해 검출되는 신호를 얻어서 프로세싱하도록 구성되거나, 연성 상호 접속부 및 프로세싱 전자 소자 패키징 형상을 포함한다.

Description

광 검출 시스템, 와이드 밴드갭 반도체 초점판 어레이 모듈 및 실리콘 탄화물 픽셀 어레이 제조방법{PHOTODETECTION SYSTEM AND MODULE}
도 1은 일실시예에 따른 광 검출 시스템의 개략적인 확대도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 광 검출 시스템의 평면도이다.
도 3은 도 2의 광 검출 시스템의 측면도이다.
도 4는 필터가 광 검출기의 필수적 구성 요소를 포함하는 일실시예를 도시하고 있다.
도 5는 다공성 실리콘 탄화물을 포함하는 광 검출기의 측면도이다.
도 6은 애밸랜치 광 검출기의 측면도이다.
도 7은 복수의 틸트 광 검출기 어레이의 투시도이다.
도 8은 적어도 하나의 트렌치를 포함하는 광 검출기 분리 실시예의 측면도이다.
도 9는 다른 실시예에 다른 광 검출기 초점판 어레이 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 10은 다른 실시예에 다른 광 검출기 픽셀 어레이의 평면도이다.
도 11은 도 10의 라인 3-3을 따른 부분적 측면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 실리콘 탄화물 픽셀 장치의 평면도이다.
도 13은 도 12의 라인 5-5을 따른 부분적 측면도이다.
도 14는 도 12에 도시된 픽셀에 유사한 복수의 픽셀을 도시하는 평면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 광 검출기 픽셀의 부분적 측면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 광 검출기 픽셀의 개략도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 광 검출기 시스템 12,112: 광 검출기 어레이
13: 납땜 볼 14: 프로세싱 전자 소자
15: 납땜 볼 16: 패키징
18: 연성 상호 접속층 20, 120: 전기 접속부
22, 222: 광 검출기 24: 다이 접합 금속
26: 광 검출기 28: 옥사이드층
30: 콘택트 금속 32: 필터
34: 배선 접합 36: 다공성 실리콘 탄화물
38: 다이 접합 금속 40: 실리콘 탄화물
42: 콘택트 44: 방향
46: 방향 50: 틸트 광 검출기 어레이
52: 트렌치 54: 전기 절연 금속
56: 광학적 절연 물질 57: 애밸랜치 광 검출기
58: 기판 59: 제 1 에피택셜층
60: 제 2 에피택셜층 61: 제 3 에피택셜층
62: 인산 실리케이트 유리층 63: 패시베이션층
64: 패시베이션층 65: 전극
66: 전극 68: 비아
70: 스위치 1010: 모듈
1014: 어레이 1018: 픽셀
1022: 스캔 레지스터 1026: 스캔 레지스터
1030: 기판 1034: 상호 접속부
1038: MOS 캐패시터 1040: 투명층
1041: 접지 패드 영역 1042: MOS 캐패시터
1044: 기판(n) 1046: 에피택셜층(n)
1048: 에피택셜층(p) 1050: 주입된 영역(n+)
1052: 제 1 옥사이드층 1054: 제 2 옥사이드층
1056: 제 3 옥사이드층 1058: 행
1060: 접지 패드 1062: 열
1064: 비아 1066: 가장 자리 금속화
1072: 광 검출기 1069: 전달 게이트
1074: 광 검출기 1076: 옥사이드
1078: 상호 접속부 1080: 상호 접속부
1082: 광 검출기 1084: 스위치
본 발명은 전반적으로 반도체 광 검출기 어레이에 관한 것으로, 특히 자외선 복사 투영용 반도체 광 검출기 어레이에 관한 것이다.
이러한 투영 시스템에 사용되는 현재의 광 검출기 시스템은 약 300나노미터(㎚) 이상의 파장을 갖는 빛을 차단하기 위해 Geiger Muller 튜브 또는 단파 통과 대역과 결합되는 인-코팅 실리콘 광 다이오드를 이용한다. Geiger Muller 튜브의 단점은 매우 낮은 감도와 매우 높은 전압의 전력 공급을 이용해야 한다는 점이다. 실리콘 광 다이오드상의 인 코팅은 전형적으로 실리콘 광 다이오드를 자외선(UV)에 예민하게 하며 높은 세기의 UV에 노출되면 열화되어 실리콘 광 다이오드의 감도가 감소된다.
이러한 투영 시스템에 관한 최근의 시도로서 갈륨 니트라이드(GaN) 검출기를 사용하는 것이 있다. 이 시도는 유력한 것 같지만 상업적으로 고품질의 갈륨 니트라이드와 알루미늄 갈륨 니트라이드 물질을 이용하는 것이 제한되기 때문에 용이하지 않을 수 있다.
물리적 손상 없이 높은 에너지 복사를 견딜 수 있으며(복사에 강함), 다수의 자외선 검출 애플리케이션에서 사용하기 위해 테일러링(tailored)될 수 있고, (인 이 요구되지 않는) 직접 검출을 위해 사용될 수 있는 광 검출기 어레이를 달성하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 집적 패키징 장치를 제공하여 넓은 범위의 실시예의 사용과 적용성을 촉진하는 것이 유리할 것이다.
간략히, 일실시예에 따르면, 광 검출 시스템은 전기 접속부를 포함하는 연성 상호 접속층상에 물리적 전기적으로 집적되는 와이드 밴드갭 광 검출기 어레이를 포함하는데, 이는 프로세싱 전자 소자가 전기적으로 집적되어 패키징과 프로세싱 전자 소자가 광 검출기 어레이에 의해 검출되는 신호를 얻어서 프로세싱하도록 구성되는 방식으로 패키징되거나, 연성 상호 접속부층과 프로세싱 전자 소자 패키징 모두를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 와이드 밴드갭 초점판 어레이 모듈은, 이미징 픽셀을 포함하는 어레이와, 스캔 레지스터를 포함할 수 있는 판독 전자 소자와, 어레이와 판독 전자 소자를 지지하는 기판과, 각 픽셀을 판독 전자 소자에 결합시키는 전기 상호 접속부를 포함한다.
도 1은 일실시예에 따른 광 검출 시스템(10)의 개략적인 확대도인데, 광 검출 시스템(10)은 와이드 밴드갭 광 검출기 어레이(12)와, 프로세싱 전자 소자(14)와, 전기 접속부(20)를 포함하는 연성 상호 접속층(18)을 포함하는 패키징(16)을 포함하며, 패키징(16)은 광 검출기 어레이(12)와 프로세싱 전자 소자(14)를 전기적으로 통합하도록 구성되고, 패키징(16)과 프로세싱 전자 소자(14)는 광 검출기 어 레이(12)에 의해 검출되는 신호를 얻어서 처리하도록 구성된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 광 검출기 어레이(12)와 관련하여 "와이드 밴드갭"은 약 2 일렉트론 볼트(eV) 이상인 대역 간격을 갖는 반도체 물질을 포함하는 것으로 의도된다. 이러한 물질의 여러 예는 실리콘 탄화물, 갈륨 니트라이드, 알루미늄 갈륨 니트라이드, 아연 옥사이드 및 다이아몬드로 구성되는 많은 종류를 포함한다. 이들 와이드 밴드갭 물질 대부분과 유사하게, 실리콘 탄화물은 본래 복사에 매우 강하며 자외선(UV) 공간에 민감한 인 코팅을 필요로 하지 않으므로 유리하다. 보다 구체적인 실시예에서 어레이의 광 검출기(22)는 광 다이오드를 포함한다. 다른 실시예에서 캐패시터 또는 광 도전체가 추가되거나 대체될 수 있다. 훨씬 더 구체적인 실시예에서는, 광 검출기는 도 10-16을 참조하여 설명할 종류의 픽셀을 포함한다.
연성 상호 접속층(18)과 관련하여 "연성"이라는 표현은 반지름 또는 호 종류의 방식으로 구부러질 수 있거나 (하위 표면에 대한) 부합층(a conformal layer)을 포함하기에 충분히 유연한 물질을 포함하는 것으로 의도된다. 부합 패키지는 평면형 실시예보다 더 자유롭게 광 검출 시스템을 설계할 수 있게 한다. 후술할 바와 같이 몇몇 실시예에서는 연성 상호 접속층이 요구되지 않는다. 연성 상호 접속층을 갖는 일실시예에서는, 예를 들어 연성 상호 접속층은 약 50 마이크로미터의 두께를 갖는 폴리이미드를 포함한다. 다른 예시적 물질은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리테트라플루오레에틸린(polytetrafluoroethelyne), 폴리에테린(polyetherimide), (General electric Co.의 상표 ULTEM 하에 판매되는 종류와 같은) 폴리에테르이미드(polyetherimide), 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene) 및 액정 폴리머를 포함한다. 전기 접속부(20)는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있으며 일실시예에서는 구리를 포함한다. 이들 접속부는 연성 상호 접속층 내에 매립되는 단층 또는 단층 실시예를 포함할 수 있다. 연성 층 실시예와 전기 구성요소 정렬 기술은 예를 들어 Cole 등의 US 5527741 및 Saia 등의 US 6475877에 각각 개시되어 있다.
도 1의 예에서, 광 검출기 어레이(12)와 프로세싱 전자 소자(14)의 결합은 납땜 볼(13 및 15)을 이용한 부착에 의해 제공된다. 납땜 볼 종류 부착은 물질과 접속의 성질에 따라 다양한 기술로 달성될 수 있다. 다른 예에서, 전기 도전 접착이 사용되어 광 검출기 어레이와 프로세싱 전자 소자를 결합한다. 일실시예에서, (활성 영역측으로부터의 반대측상의) 후면 콘텍트는 접속을 어레이 구조의 가장 자리를 따르게 하거나 물질과 두께, 스루-비아(through-vias) 구성에 따라 광 검출기 위치에 근접하게 한다. 정면측 콘택트가 어레이 주변(도시 생략)에 위치되는 다른 실시예에서는, 연성 상호 접속층은 내부에 액세스 윈도우(도시 생략)를 가지며, 정면측 콘택트는 연성 상호 접속층에 직접 결합된다.
납땜 볼 실시예와는 대조적으로, 도 2 및 3은 배선 접합(34)에 의해 결합이 이루어지는 다른 실시예에 따른 광 검출기의 평면도 및 정면도이다. 도 2는 또한 연성층(18)이 인쇄 회로 기판과 같은 견고한 층(19)에도 결합되는 실시예를 도시하고 있다.
광 검출기 어레이가 실리콘 탄화물 광 검출기 어레이를 포함하는 실시예의 한 양태에서, 광 검출기 어레이의 실리콘 탄화물 광 검출기(22)의 적어도 일부는 사전 결정되는 자외선 스펙트럼의 파장 범위 내의 에너지를 모니터링하도록 구성된다. 실리콘 탄화물 광 검출기의 반응성 엔벨로프(responsivity envelope)는 약 200㎚ 내지 약 400㎚로부터 연장되는데, 이는 본래 태양광 블라인드(solar blind)가 아님을 의미한다(즉, 그 반응성이 약 300㎚ 또는 더 구체적으로는 약 240㎚ 내지 약 280㎚의 파장 범위로 본래부터 제한되는 것은 아니다).
도 4에 도시된 바와 같은 더 구체적인 양태에서, 실리콘 탄화물 광 검출기(122)의 적어도 일부는 한 위치에 배치되는 개별 필터(32)와 결합되는 사전 결정되는 파장 범위 내의 에너지를 감시하여 개별 광 검출기를 향하는 빛을 가로채도록 구성된다. 더 구체적으로, 도 4는 필터가 광 검출기상으로 배치되어 광 검출기의 전체적 구성 요소를 포함하는 실시예를 도시하고 있다. 이러한 필터는 Brown 등의 US2004/0200975 등에 설명되어 있다. 다층 유전 필터는 프로세싱 동안에 웨이퍼에 추가되어 다양한 애플리케이션을 제공하기 위해 반응성 대 파장을 테일러링(tailoring)할 수 있다. 이들 종류의 필터가 SiO2 및 HfO2와 같은 무기 화합물을 이용하여 제조되는 경우, 결과 실리콘 탄화물 광 검출기-필터 조합은 고온과 강한 UV에 노출될 때 극도로 안정적이다. 예시를 위해 실리콘 탄화물에 대한 특정 실시예를 제공하였지만, 다른 와이드 밴드갭 물질과도 이러한 필터를 이용할 수 있다.
보다 개선된 실시예에서는, 광 검출 시스템(10)은 광 검출기 어레이의 개별 광 검출기를 향하는 상이한 사전 결정된 범위의 빛을 가로채도록 배치되는 복수의 상이한 필터(32)를 포함한다. 이러한 실시예는 관심 대상인 스펙트럼의 복수의 성분을 감지할 수 있다는 장점을 제공한다. 다른 예로서, 상이한 특성을 갖는 필터가 다른 픽셀 또는 인접 픽셀에 사용되어 다중-색상의 UV 비디오 칩을 생성할 수 있다.
도 5는 실리콘 탄화물의 후면 금속-코팅(38) 베이스(40)와 조합되는 인 실리콘 탄화물(36)을 포함하며 자신에 결합되는 전기 콘택트(42)를 갖는 광 검출기의 측면도이다. 전술한 필터 실시예와 선택적으로 결합될 수 있는 이 실시예는 훨씬 더 큰 유연성을 제공하는데, 왜냐면 이는 가시 스펙트럼 내의 빛을 감지할 수 있게 하기 때문이다. 인 실리콘 탄화물의 암전류(dark current) 특성은 비-인 실리콘 탄화물의 그것과 비교할 수 있으며 인 실리콘 탄화물에 대한 스펙트럼 반응성은 가시 스펙트럼 내에서 증가한다.
도 6은 애밸런치 광검출기(APD)(57)의 측면도이다. APD는 역 전압을 인가하여 기능하는 내부 이득 메커니즘을 이용하는 고속, 고감도의 광 검출기이다. 이러한 광 검출기는 낮은 광 레벨이 존재하는 상황을 위해 계획되는 광 검출기 어레이 실시예에서 특히 유용하다. Sandvik 등의 US 6838741에 개시된 바와 같은 일실시예에서, 애밸랜치 광 검출기는 기판(58), 제 1 에피택셜층(59), 제 2 에피택셜층(60), 제 3 에피택셜층(61), 이동성 이온 이동을 제한하는 제 3 에피택셜층 상부의 인 실리케이트 유리층(62), 에피택셜층에 의해 형성되는 경사진 측벽 위에 연장되는 패시베이션층(passivation layer, 63 및 64) 및 전극(65 및 66)을 포함한다.
광 검출기의 종류와 상관없이, 어레이 자체가 적어도 2개의 방향(44 및 46) 을 포함하여 이 두 방향 각각으로 적어도 2개의 광 검출기(22)를 갖는 도 2의 하나의 예시적 레이아웃을 갖는 다양한 레이 아웃을 포함할 수 있다. 더 구체적인 실시예에서는, 어레이는 적어도 정확히 2개의 방향을 포함하여 이 두 방향 각각으로 적어도 512개의 소자를 포함한다. 이러한 어레이는 1024×1024 또는 그 이상의 크기에 이를 것이 예상된다. 그러나, 예외적으로 큰 어레이를 피하기 위해, 도 7의 투시도에 의해 도시된 바와 같이 광 검출은 복수의 틸트 광 검출기 어레이(50)를 포함할 수 있다. Burdick, Jr 등의 US 2004/109299에 타일링(tiling)이 개시되어 있으며 대규모의 검출기 크기를 허용하여 넓은 시야를 허용한다. 또한, 검출기의 2차원 타일링이 이용되어 작고 합리적인 산출 서브-어레이로부터 더 큰 어레이를 생성한다.
도 8은 광 검출기 어레이의 적어도 하나의 트렌치(52)를 포함하는 광 검출기 분리 실시예의 측면도이다. 트렌치는 광 검출기(22)를 물리적으로 분리한다. Kretchmer 등의 US2005/0101100에 개시된 바와 같이 트렌치의 내부는 전기 절연 물질(54)로 코팅되고 부합하게 배치되는 광학적으로 분리되는 물질(56)로 충진된다. 이러한 실시예는 어레이 내의 크로스-토크(cross-talk)를 최소화하는 데 유용하다.
광 검출 시스템은 여러 예와 관련되는 다수의 장치 및 시스템 중 하나에 동작 가능하게 접속될 수 있는데, 그러한 예로는 항공기 엔진, 통신 장치, 오염 감시 장치, X-선 검출 장치, 웰 로깅 툴(a well logging tool), 소형 보안 장치, 부동액(glycol) 감시 장치, 플레임 이미징 장치(flame imaging device), 공업용 아크 검출 장치, 바이오-감지 어레이, CT 검출기 및 자외선 천문학 장치가 있다.
프로세싱 전자 소자(14)(도 1)는 광 검출기 어레이로부터 프로세싱 신호를 얻는 임의의 아날로그, 디지털 또는 아날로그와 디지털의 조합 장치를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 "프로세싱 신호"란 광 검출기의 응답으로부터 전자기 복사로의 전자 전하 또는 전류의 전기적 변경을 의미한다. 이러한 변경의 예는 광 검출기로부터의 전류 출력의 증폭인데, 이는 그 후 판독 전자 소자에 제공된다. 프로세싱 기술의 여러 실시예는 예를 들어 Garverick 등의 US 5371501 및 Rao 등의 US 6366231에 개시되어 있다. 비제한적 예로서, Rao 등의 US 6366231의 실시예에서는, 아날로그 대 디지털 변환 회로(도시 생략)가 제공되어 아날로그 입력 신호를 복수의 이진 출력 비트로 변환한다. 아날로그 대 디지털 변환 회로는 인버팅 단자와 출력 단자를 갖는 연산 증폭기를 포함하며, 아날로그 입력 신호는 인버팅 단자에 접속된다. 적분 캐패시터(integrating capacitor))는 인버팅 단자와 연산 증폭기의 출력 사이에 접속된다. 적분 캐패시터는 입력 신호의 적분에 비례하는 전하를 저장한다. 전하 추출 회로가 인버팅 단자와 연산 증폭기의 출력부에 선택적으로 결합된다. 전하 추출 회로는 연산 증폭기의 출력 전하가 실질적으로 제 2 사전 결정되는 전하와 동일한 경우 적분 캐패시터로부터 제 1 사전 결정되는 전하를 제거한다.
많은 종류의 픽셀 장치 중 어떠한 것도 검출 시스템 실시예에 사용되기에 적합하다. 여러 실시예를 도 9 내지 16과 관련하여 후술한다. 간략히, 예를 들어, 일실시예에서, CID(a charge integrated device) 이미저(imager) 픽셀은 2개의 MOS 캐패시터를 포함하여 전하를 그들의 관련 전위 우물들(potential wells)간에서 전 후로 이동시킨다. CID 이미저 픽셀은 CCD(a charge coupled) 이미저 픽셀보다 복사에 강한데, 그 이유는 CID 이미저 픽셀은 하나의 프레임 타임 동안에 누적되는 전하를 판독하기 위해 단지 2개의 전하 전달을 요구하는 반면, CCD 이미저는 다수의 전하 전달을 요구하기 때문이다. 이와 달리, 어레이 판독은 픽셀당 2개가 한 쌍을 이루며 둘 중 하나에 부착되는 전달 게이트를 갖는 광 다이오드를 이용하여 달성될 수 있는데, 그 다른 가장 자리가 나머지를 덮거나 픽셀 각각이 스위치에 결합되는 광 검출기를 포함한다.
전술한 실시예는 많은 장점을 지니는데, 고속 판독, 많은 광 검출기 및 기하 구조를 제공할 수 있는 측정 가능한 설계를 이용하는 견고한 광 검출의 달성과 같은 것을 포함한다. 광 검출기 어레이, 연성 상호 접속층 및 프로세싱 전자 소자의 조합이 특히 유리한 결과를 산출하는 것으로 발견되었지만, 세수 조합도 유리하며 청구 범위에 기재되어 있다. 예를 들어, 일실시예는 광 검출 시스템을 포함하는데, 이는 전기 접속부를 갖는 연성 상호 접속층과, 연성 상호 접속층에 집적되어 전기 접속부에 결합되는 와이드 밴드갭 광 검출기 어레이를 포함한다. 다른 예로서, 다른 실시예는 광 검출 시스템을 포함하며, 이는 와이드 밴드갭 광 검출기 어레이, 프로세싱 전자 소자 및 광 검출기 어레이를 전기적으로 적분하도록 구성되는 패키징 및 프로세싱 전자 소자를 포함하는데, 패키징 및 프로세싱 전자 소자는 광 검출기 어레이에 의해 검출되는 신호를 얻어서 프로세싱하도록 구성된다. 이 실시예에서, 광 검출기 어레이의 패키징 및 전자 소자 프로세싱은 실리콘과 같은 물질을 포함하는 단단한 반도체 기판을 포함하는 기판과 같은 임의의 적합한 기판으로 달성될 수 있다. 세부 조합 실시예는 더 큰 실시예에 관해 전술한 특정 검출기 및 다른 특징의 많은 부분을 선택적으로 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 원하는 경우, 도 9-16을 참조하여 설명한 픽셀 실시예가 연성 상호 접속층과 전자 소자 프로세싱 실시예에 대해 독립적으로 사용될 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 와이드 밴드갭 초점판 어레이 모듈(1010)의 개략적인 블록도인데, 모듈(1010)은 복수의 실리콘 탄화물 픽셀(1018)을 포함하는 어레이(1014)와, 복수의 스캔 레지스터(1022 및 1026)와, 어레이(1014)와 스캔 레지스터(1022 및 1026)를 지지하는 기판(1030)과, 각 픽셀(1018)을 적어도 2개의 스캔 레지스터(1022 및 1026)에 결합시키는 복수의 전기 상호 접속부(1034)를 포함한다. 기판(1030)은 임의의 구조적으로 적합한 물질을 포함할 수 있으며, 픽셀과 스캔 레지스터에 대한 지지를 제공할 수 있는 유연하거나 견고한 물질일 수 있다. 일실시예에서, 기판은 예를 들어 알루미늄과 같은 세라믹 물질을 포함한다. 원하는 경우, 상자형 장치가 기판과 결합되어 관심 대상인 영역 위에 석영 또는 사파이어 윈도우를 포함할 수 있다.
광 검출기 픽셀(1018)의 여러 예를 도 10-16을 참조하여 설명한다. 이상적으로는, 어레이(1014)와 상호 접속부(1034)의 구조는 픽셀(1018)을 스캔 레지스터(1022 및 1026)로 결합시키는 교차점을 인에이블하도록 구성된다. 도 9에는 교차점 결합의 일례가 도시되어 있는데, 여기서 픽셀(1118)은 상호 접속 라인(1034)을 따라 스캔 레지스터(1026)와 스캔 레지스터(1022) 모두에 접속된다. 이러한 실시예는 각 픽셀이 개별적으로 별도의 판독 패드에 접속되어야 할 필요가 없게 한 다. 90도의 방위가 도시되어 있지만, 필수적인 것은 아니다. 또한, "행"과 "열"이라는 용어가 설명을 위해 사용되지만 특정 방위를 제한하기 위한 것은 아니다. 일실시예에서, 스캔 레지스터는 실리콘 스캔 트랜지스터와 같은 실리콘 스캔 레지스터를 포함한다. 이러한 스캔 레지스터의 여러 예와 저장된 전하 판독 방법이 Burke 등의 US3993897에 개시되어 있다.
예시를 위해 2개의 스캔 레지스터(1022 및 1026)가 도시되어 있지만, 원한다면 추가적 스캔 레지스터를 추가할 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광 검출기 픽셀 어레이 평면도이고, 도 11은 도 10의 라인 3-3을 따른 단면도이다. 이들 실시예에서, 광 검출기 픽셀의 적어도 일부는 한 쌍의 결합된 MOS(metal oxide semiconductor) 캐패시터(1038 및 1042)를 포함한다.
도 11을 참조하여 볼 수 있는 더 구체적인 실시예에서는, MOS 캐패시터(1038 및 1042) 쌍에 대한 프로세스 시퀀스는 n형 실리콘 탄화물 기판(1044), n형 실리콘 탄화물 에피택셜층(1046) 및 p형 실리콘 탄화물 에피택셜층(1048)을 포함하는 실리콘 탄화물 구조를 이용하여 시작한다. 영역(1050)에 n 전도성으로 주입하고, 제 1 옥사이드층(1052)을 증착한다. 일례에서, 에피택셜층(1046)은 약 1-2 마이크로미터의 두께를 가지며, 에피택셜층(1048)은 약 6 마이크로미터의 두께를 가지고, 주입된 영역(1050)은 약 1-2 마이크로미터의 두께를 가지며, 제 1 옥사이드층(1052)은 약 1마이크로미터의 두께를 갖는다. 도전성 종류는 예시를 위한 것이며 원하는 경우에는 그 반대일 수 있다. 통상적으로, 본 명세서에서 설명되는 옥사이드층은 실리콘 옥사이드이지만 원한다면 다른 옥사이드를 사용할 수 있다.
제 1 옥사이드층(1052)은 픽셀(1218)이 형성될 영역에서 박화되며(또는 임의의 적합한 기술에 의해 감소되거나 제거되며), 제 2 층 옥사이드층(1054)을 증착하거나 열적으로 성장시킨다. 일례에서는, 제 2 옥사이드층(1054)의 두께는 약 400암스트롱이다. 누설을 감소시키기 위해 원한다면 제 2 옥사이드층(1054) 위에 선택적 실리콘 니트라이드(Si3N4)층(도시 생략)을 제공할 수 있다.
그 후, 투명한 전기 전도성 물질층(1040)을 (예를 들어 증착에 의해) 도포하고 패터닝하여 캐패시터(1038 및 1042) 영역 및 (도 10에서 참조 번호(1058)로 도시된) 행 상호 접속부를 형성한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 투명하다는 것은 자신을 통과하는 관심 대상인 파장 범위의 빛의 적어도 약 50퍼센트를 허용하는 물질층을 포함한다. 예를 들어, 플래티늄이 두께에 따라 실리콘 탄화물 장치가 반응하는 파장 위에 투명할 수 있다. 플래티늄층이 두꺼워질수록, 투명성은 감소되고 도전성은 증가된다. 예를 들어, 에칭 기술에 의해 층(1040)을 패터닝할 수 있다.
패터닝 후, 제 3 옥사이드층(1056)을 도포한다(도 11). 예를 들어 에칭에 의해 비아(1064)(도 10)를 제공하여 층(1040)까지 연장될 수 있다. 도 10의 실시예에서, 층(1040)은 픽셀의 인접 캐패시터 금속화 사이에 접지 패드 영역(landing pad region, 1041)을 포함하여 2개의 인접 픽셀이 하나의 열 접속부를 공유할 수 있다. 다음으로, 제 2 레벨 전기 전도 물질층(1059)을 사용하여 열 상호 접속 부(1062)를 제공한다. 제 2 레벨 전기 전도 물질층(1059)을 스캔 레지스터에 대한 접속부를 제공하기 위해 접지 패드(1060)를 제공하는 데에도 이용할 수 있다. 층(1059)은 투명할 필요가 없다. 여러 예시적 물질은 알루미늄, 티타늄/몰리브덴 및 그 조합을 포함한다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광 검출기 픽셀(1318) 장치의 평면도이며, 도 13은 도 12의 라인 5-5에 따른 단면도이고, 도 14는 도 12에 도시된 픽셀에 유사한 복수의 픽셀(1318)을 도시하는 평면도이다. 이 실시예는 도 10-11에 도시된 실시예보다는 덜 복잡한데 개별 픽셀 소자에 대해 콘택트가 필요하지 않아서 (도 11의) 주입된 영역(1050)이 요구되지 않기 때문이다.
일례에서, 이 실시예의 프로세스는 도 11을 참조하여 설명한 것과 유사한 방식으로 시작되는데, n형 기판(1044), n형 에피택셜층(1046) 및 (주입된 영역(1050)이 없는) p형 에피택셜층(1048)을 포함하는 구조를 제공하고, 픽셀(1318)이 형성될 영역에 제 1 옥사이드층(1052)을 박화 또는 제거하며, 제 2 옥사이드층(1054)을 증착하거나 열 성장시킨다.
그 후, 행 방위로 제 1 전기 전도층(1158)을 도포하고 패터닝한다. 층(1158)은 투명할 필요가 없으며, 특히 충분히 좁은 경우에 그러하다. 예를 들어, 픽셀 영역 위의 행 물질층(1158)의 커버리지가 픽셀 영역의 약 25 퍼센트를 초과하지 않도록 제한되면 양자 효율이 최대화된다. 예시적 물질은 몰리브덴 및 폴리실리콘을 포함한다. 그 후, 제 3 옥사이드층(1156)을 소정 두께로 구조 위를 도 포하는데, 일례에서는 약 400암스트롱이다. 몇몇 실시예에서는, 선택적 Si3N4층 (도시 생략)을 제 3 옥사이드층(1156) 위에 도포할 수 있는데, 일례에서는 약 600암스트롱의 두께이다.
그 후, 제 2 전기 전도층(1162)을 픽셀 위에 도포하고 열 방위에 패터닝한다. 층(1162)은 (도 11을 참조하여 전술한 것과 유사한 방식으로) 투명하게 선택하고 플라티늄, 알루미늄 니트라이드, 알루미늄 갈륨 니트라이드(AlGaN), 다이아몬드 유사 탄소 박막, 얇은 탄소 또는 예를 들어 투명한 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. AlGaN을 이용하는 실시예에서는, 단파장 감도를 제한하도록 합성물을 제한할 수 있다. 이와 달리, 복수의 유전 필터(도시 생략)를 층(1162)의 상부에 증착하여 파장의 함수로서 반응성을 제어하고 (약 250㎚ 위인) 장파장 반응을 실질적으로 제거함으로써 이미저를 태양광 블라인드로 할 수 있다. 예를 들어, 전술한 Brown 등의 US 2004/0200975에 필터 실시예가 개시되어 있으며, 본 명세서에 설명된 임의의 픽셀과 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 이 실시예에서, 투명성을 감소시키지 않고 도전성을 증가시키기 위해, 전기 도전 스트립(1066)을 층(1622)의 가장 자리를 따라 도포하고 패터닝할 수 있다. 스트립 물질의 다른 예는 몰리브덴, 구리, 티타늄을 포함한다. 전기 도전 스트립(1066)은 제 2 전기 도전층(1162)을 패터닝하기 전 또는 그 후에 증착하고 패터닝할 수 있다.
도 15는 다른 실시예에 따라 광 검출기 픽셀(1418)의 단면도인데, 픽셀의 적어도 일부는 한 쌍의 광 다이오드(1072 및 1074)를 포함한다. 더 구체적인 실시예 에서는, 광 다이오드는 실리콘 탄화물 광 다이오드를 포함한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 2개의 다이오드는 그들 사이에 하나의 전달 게이트(1069)를 갖는다. 픽셀(1418)은 평면형이 아닌데, 광 검출기(1072 및 1074)가 메사-분리(mesa-isolated)가 아니며 n+영역의 각각에 대한 콘택트(1078 및 1080)이 형성되기 때문이다. 따라서, 패킹 밀도는 전술한 캐패시터 실시예만큼 크지는 않을 것이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 광 검출기 픽셀(1518)의 단면도인데, 픽셀(1518)은 교차점 전계 효과 트랜지스터 스위치(1084)에 결합되는 광 검출기(1082)를 포함한다. 더 구체적인 실시예에서는, 광 검출기는 예를 들어 실리콘 탄화물 광 다이오드를 포함한다.
본 발명의 소정 형태만을 설명하였지만, 당업자는 많은 변형 및 수정을 이룰 수 있을 것이다. 그러므로, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 사상 내의 모든 변형 및 수정을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 의하면, 물리적 손상 없이 높은 에너지 복사를 견딜 수 있으며, 다수의 자외선 검출 애플리케이션에서 사용하기 위해 테일러링(tailored)될 수 있고, (인이 요구되지 않는) 직접 검출을 위해 사용될 수 있는 광 검출기 어레이를 제공한다.

Claims (14)

  1. 와이드 밴드갭 광 검출기 어레이(a wide bandgap photodetector array, 12)와,
    프로세싱 전자 소자(14)와,
    전기 접속부(20)를 포함하는 연성 상호 접속층(a flexible interconnect layer, 18)을 포함하는 패키징(16)을 포함하되,
    상기 패키징은 상기 광 검출기 어레이와 상기 프로세싱 전자 소자를 전기적으로 통합하도록 구성되며,
    상기 패키징 및 상기 프로세싱 전자 소자는 상기 광 검출기 어레이에 의해 검출되는 신호를 얻어서 프로세싱하도록 구성되는
    광 검출 시스템(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연성 상호 접속층은 부합층(a conformal layer)을 포함하는
    광 검출 시스템(10).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출기 어레이는 실리콘 탄화물 광 검출기 어레이를 포함하고,
    상기 광 검출기 어레이의 상기 실리콘 탄화물 광 검출기(22)의 적어도 일부는, 각 광 검출기를 향해 유도되는 빛을 가로채기 위해 한 위치에 배치되는 개별 필터(32)를 구비하여, 자외선 스펙트럼의 사전 결정되는 파장 범위 내의 에너지를 모니터링하도록 구성되는
    광 검출 시스템(10).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출기 어레이의 각 광 검출기를 향해 유도되는 빛의 상이한 사전 결정되는 범위를 가로채기 위해 배치되는 복수의 상이한 필터(32)를 더 포함하는
    광 검출 시스템(10).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출기 어레이는 갈륨 니트라이드(gallium nitride) 광 검출기, 아연 옥사이드(zinc oxide) 광 검출기, 다이아몬드 광 검출기 또는 그 조합을 포함하는
    광 검출 시스템(10).
  6. 제 1 항에 있어서,
    항공기 엔진, 통신 장치, 오염 감시 장치, X-선 검출 장치, 웰 로깅 툴(a well logging tool), 소형 보안 장치, 부동액(glycol) 감시 장치, 플레임 이미징 장치(flame imaging device), 공업용 아크 검출 장치, 바이오-감지 어레이, CT 검출기 또는 자외선 천문학 장치에 동작 가능하게 접속되는
    광 검출 시스템(10).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출기의 적어도 일부는 (a) 한 쌍의 결합된 MOS 캐패시터와, (b) 한 쌍의 광 검출기와, (c) 교차점 전계 효과 트랜지스터 스위치에 결합되는 광 검출기 또는 (d) 그 조합을 포함하는
    광 검출 시스템(10).
  8. 전기 접속부(20)를 포함하는 연성 상호 접속층(18)과,
    상기 연성 상호 접속층상에 집적되며 상기 전기 접속부에 결합되는 와이드 밴드갭 광 검출기 어레이(12)를 포함하는
    광 검출 시스템(10).
  9. 복수의 이미징 픽셀(1018)을 포함하는 어레이(1014)와,
    복수의 스캔 레지스터(1022,1026)와,
    상기 어레이와 상기 스캔 레지스터를 지지하는 기판(1030)과,
    각 픽셀을 상기 스캔 레지스터 중 적어도 2개에 결합시키는 복수의 전기 상호 접속부(1034)를 포함하는
    와이드 밴드갭 반도체 초점판 어레이 모듈(1010).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 초점판 어레이는 실리콘 탄화물 픽셀, 갈륨 니트라이드 픽셀, 아연 옥사이드 픽셀 또는 다이아몬드 픽셀을 포함하며,
    상기 어레이 및 상기 상호 접속부는 상기 픽셀을 상기 스캔 레지스터에 결합사키는 교차점을 인에이블하도록 구성되는
    와이드 밴드갭 반도체 초점판 어레이 모듈(1010).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 픽셀은 실리콘 탄화물을 포함하며,
    상기 스캔 레지스터는 실리콘 스캔 레지스터를 포함하는
    와이드 밴드갭 반도체 초점판 어레이 모듈(1010).
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 검출기 픽셀의 적어도 일부는 한 쌍의 결합된 MOS 캐패시터(1038,1042), 한 쌍의 광 다이오드(1072,1074), 교차점 전계 효과 트랜지스터 스위치(1084)에 결합되는 광 검출기(1082) 또는 그 조합을 포함하는
    와이드 밴드갭 반도체 초점판 어레이 모듈(1010).
  13. 실리콘 탄화물 기판과, 상기 기판 위의 적어도 2개의 실리콘 탄화물 에피택셜층을 제공하는 단계와,
    상기 기판과 에피택셜층 위에 제 1 옥사이드층을 도포하는 단계와,
    픽셀이 형성될 영역에 상기 제 1 옥사이드층을 제거하는 단계와,
    상기 픽셀 영역에 더 얇은 제 2 옥사이드층을 도포하는 단계와,
    상기 픽셀 영역을 가로지르는 행 방위로 제 1 전기 전도층을 도포하는 단계와,
    상기 제 1 전기 전도층과 상기 제 1 및 제 2 옥사이드층 위에 제 3 옥사이드층을 배치하는 단계와,
    상기 픽셀 영역을 가로지르는 열 방위로 제 2 전기 전도층을 도포하는 단계 - 상기 제 2 전기 전도층은 투명 물질을 포함함 - 와,
    상기 제 2 전기 전도층의 하나의 열의 각 가장 자리와 각각 접촉하는 전기 전도 스트립을 제공하는 단계를 포함하는
    실리콘 탄화물 픽셀 어레이(1014) 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 전기 전도층은 플래티늄을 포함하며,
    상기 전기 전도 스트립은 알루미늄을 포함하는
    실리콘 탄화물 픽셀 어레이(1014) 제조 방법.
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