KR20070114652A - 향상된 감도를 가진 광반도체장치 - Google Patents
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Abstract
포토다이오드를 포함하는 광반도체장치에 있어서, 제1전도형의 제1반도체층과; 수광영역에 있는 상기 제1반도체층의 표면 부로부터 형성된 제2전도형의 채널층;을 포함한다. 상기 채널층과 상기 수광영역에 있는 상기 제1반도체층은 p-n접합을 형성한다(도 2).
포토다이오드, 광반도체장치, 수광소자, 블루레이저
Description
도 1은 종래의 회로내장형수광소자의 구조를 보여주는 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 구조를 보여주는 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 구조를 보여주는 평면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 동작원리를 보여주는 단면도,
도 5a 내지 도 5l은 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 생산방법을 보여주는 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에서의 광반도체장치의 동작을 보여주는 플로차트이다.
본 발명은 광반도체장치, 더욱 구체적으로는 감도(sensitivity)가 향상된 광반도체장치에 관한 것이다.
기록장치에 있어서 고밀도기록을 실현하기 위하여, 블루레이저와 같은 단파 장 빛에 대한 수광소자가 개발되고 있다. 반면, 광신호의 광원으로 사용되는 반도체 레이저 소자의 발진중심파장(oscillating central wavelength)이 짧은 경우에는, 레이저광을 받아들이기 위한 반도체의 흡광계수가 커지고 반도체에서의 침투길이(invasive length)가 짧아진다. 그 결과, 포토케리어(photo carriers)를 효율적으로 끌어내기(take out)위하여, 반도체의 표면 근방에서의 포토케리어의 재조합에 따른 양자효율(quantum efficiency)의 감소를 막을 필요가 있다.
고감도 및 단파장 빛에 대한 고속응답성을 가진 수광소자를 얻기 위한 목적의 기술로서, 수광소자와 그것의 생산방법 및 회로내장형수광소자(circuit built-in type light receiving element)가 일본공개특허공보(JP-P2004-87979A)에 개시되어 있다. 도 1은 종래기술의 회로내장형수광소자의 구조를 보여주는 단면도이다. 이 회로내장형수광소자(120)는 실리콘으로 만들어지고 약 40Ωm의 비저항을 가진 P형 반도체기판(101)을 가지고 있으며, P형 고농도 매립(embedding)확산층(102)과, 비저항이 100Ωm 이상인 P형 고 비저항 에피텍셜층(103) 및 약 1 내지 5Ωm의 비저항을 가진 N형 에피텍셜층(106)이 위 순서대로 P형 반도체기판(101) 상에 적층되 어 있다. 위 회로내장형수광소자(120)는 포토다이오드(photodiode)영역과 이에 인접하고 있는 양극성소자(bipolar element)영역을 가지고 있다. 포토다이오드영역(도면에서 좌측)과 트랜지스터소자영역(도면에서 우측)은, P형 고농도매립확산층(102)의 경계로부터 N형 에피텍셜층(106)의 경계에 다다르기 위한 P형 고저항에피텍셜층(103) 내에 형성된 P형 매립분리확산층(104)과, N형 에피텍셜층(106)의 경계표면으로부터 P형 매립분리확산층(104)에 다다르기 위해 형성된 P형 분리확산 층(107)에 의해, 분리되어 있다.
N형 불순물확산층(108)은, N형 에피텍셜층(106)의 표면으로부터 0.3 ㎛ 이하 (예에는, 0.3 ㎛)의 깊이로, 불순물의 피크치농도(peak concentration )가 1×1020 ㎝-3 보다 적은, 예를 들어, 8×1019㎝-3 정도에서 N형 불순물의 확산으로 포토다이오드 영역 내에 형성된다.
N형 매립확산층(105)은 P형 고 비저항 에피텍셜층(103)의 표면 내에 매립(embedded)되도록 트랜지스터소자 영역 내에 형성된다. N형 웰(well)확산층(109)과 콜렉터층으로서의 N형 불순물확산층(108)이 N형 매립확산층(105) 상에서 서로 인접하게 형성되어 있다. P-계 확산층(110) 및 P-계 확산층(110)의 양측에 인접하도록 형성된 P+ 계( P+ based)확산층(111)이 N형 웰확산층(109) 내에 제공된다. N형 에미터확산층(112)이 P-계 확산층(110)의 영역에 형성된다.
상기한 바와 같이, 표면보호를 위한 절연막이, 포토다이오드 영역 내의 각 층과 트랜지스터소자 영역 내의 각 층이 각각 형성되는 N형 에피텍셜층(106)의 표면 전체에 걸쳐 형성된다. 표면보호를 위한 절연막은, 포토다이오드 영역 내의 N형 불순물확산층(108) 및 P형 분리확산층(107)과, 양극성 트랜지스터 영역의 콜렉터풀업층(collector pull-up layer)인 N형 불순물확산층(108)과, P+ 계 확산층(111)과, 그리고, N형 에미터확산층(112) 상에, 각각 개구부(openings)를 가지고 있다. 하드와이어링(hard-wiring)(전극)금속층(114)이 각 개구부 상에 제공된다.
N형 불순물확산층(108)에서 생성된 포토케리어들은, N형 불순물의 농도구배로 인해 발생하는 내부전기장에 의해, 공핍층으로 이동되고, 그로 인해, 광전류가 흐른다. 그러나, N형 불순물확산층(108) 내의 불순물 농도가 높은 경우에는, 포토케리어의 수명이 짧아지고 포토케리어가 공핍층에 도달하기 전에 재조합하여 사라지게 된다. 이러한 이유로, 포토케리어는 광전류의 발생에 기여할 수 없으며, 그러므로, 수광소자의 양자효율이 감소하게 되는 것이다.
상기한 바와 같이, 빛의 파장과 반도체층 내의 빛의 침투길이를 줄임에 따라 흡광계수가 증가하게 되면, N형 불순물확산층(108)에서 발생하는 포토케리어는 증가한다. 결과적으로, N형 불순물확산층(108)에서의 불순물농도가 높아지면, 수광소자의 양자효율이 분명히 감소하는 것으로 보여진다. 고농도 불순물 및 확산층 내에서의 포토케리어의 재조합으로 인한 양자효율의 감소를 막기 위하여, 농도의 프로파일(profile)이 최적화(optimized)된다.
최적화를 위한 첫 번째 방법으로, N형 불순물확산층(108)에서의 불순물농도가 높은 경우에, 가파른 확산프로파일을 설정하기 위하여 N형 불순물확산층(108)을 얕게 형성함으로써 내부전기장이 강화되는 것이다. 그 결과로서, 포토케리어가 공핍층으로 움직이는 이동속도가, N형 불순물확산층(108)을 깊이 형성하는 경우에 비해 커지므로, 포토케리어가 재조합하기 전에 공핍층 속으로 이동할 수 있게 된다.
최적화의 두 번째 방법으로, N형 불순물확산층(108)이 깊이 형성되는 경우에, 불순물의 농도를 줄임으로써 포토케리어의 수명이 연장될 수 있다. 그 결과, 포토케리어는 재조합없이 공핍층 속으로 이동할 수 있게 된다.
상기한 첫 번째 및 두 번째 방법에서는, N형 불순물확산층(108) 내의 케리어의 재조합을 억제하기 위하여, 불순물농도의 최정점위치(peak position)는 가능한 반도체의 표면 또는 그 표면 근방 상에 설정되도록 하는 것이 필요하다. 이것을 실현하기 위해, 산화막을 통한 이온주입법이 필수적으로 요구된다. 그러나, 산화막 제작에 따른 리드타임(lead-time)이 길어지기 때문에 생산단가가 증가한다. 또한, 회로소자와 같은 수광부분(light receiving section)을 제외한 영역에 고온의 열처리가 요구되기 때문에, 수광부분에서 확산층을 정확하게 제어하는 것이 어렵다. 그러므로, 수광소자를 간단한 방법 및 저가의 공정으로 생산할 수 있고, 수광소자가 블루레이저와 같은 단파장 빛을 고감도, 고속응답으로 수광할 수 있도록 하는, 기술이 요구된다.
상기 서술과 관련하여, 분할수광소자(divisional light receiving element), 회로내장형수광소자(circuit built-in light receiving element) 및 광디스크장치들이 일본공개특허공보(JP-P2003-92424A)에 개시되어 있다. 분할수광소자는, 제1전도형반도체층 상에 각각 소정의 간격을 유지하면서 형성된 다수의 제2전도형확산층과; 제1전도형반도체층 상의 다수의 제2전도형확산층 사이에 형성되고, 제2전도형확산층 사이에서 일어나는 누설(leakage)을 방지하는, 누설방지층; 및 제2전도형확산층과 누설방지층을 포함하고 있는 제1전도형반도체층 상에서 적어도 빛이 들어오는 영역 내에 형성된 유전막;을 포함한다. 고체촬상소자(solid imaging device) 와 수광소자들이 일본공개특허공보(JP-A-Heisei 11-214668)에 개시되어 있다. 이 고체촬상소자는, 제1전도형반도체기판과; 반도체기판 상에 형성되며, 빛의 발 생(incidence)에 의한 신호전기전하(signal electric charge)를 축적하기 위한 다수의 제2전도형축적층과; 상기 축적층의 상부에 형성된 절연층과; 상기 절연층의 상부에 형성된 광투명전극과; 상기 광투명전극에 전원을 인가하고, 하부에 위치한 상기 축적층의 표면에 반전층(reversal layer)을 형성하기 위한 전압공급수단; 및 상기 축적층 내에 축적된 신호전기전하를 주사(scanning)하고, 그것을 이미지신호로서 외부에 출력하기 위한 신호전송수단;을 포함하고 있다.
본 발명은 블루레이저와 같은 단파장의 빛을 고감도 및 고속응답성을 가지고 흡수할 수 있는 광반도체장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 간단한 방법과 저렴한 단가로 수광소자를 생산할 수 있으며, 블루레이저와 같은 단파장의 빛을 고감도 및 고속응답성을 가지고 흡수할 수 있는 광반도체장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예로서, 포토다이오드를 가진 광반도체장치는, 제1전도형의 제1반도체층과; 수광영역에서 제1반도체층의 표면 부로부터 형성된 제2전도형의 채널(channel)층;을 포함한다. 상기 채널층과 수광영역에 있는 상기 제1반도체층은 p-n접합영역을 형성한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 광반도체장치의 동작방법은, 제1전도형의 제1반도체층과; 상기 반도체층 상의 표면부에 형성된 제2전도형의 제2반도체층과; 상기 제1반도체층의 아래에 형성된 제1전도형의 제3반도체층과; 상기 제1반도체층을 통 해 상기 제3반도체층까지 관통하도록 형성된 제1전도형의 제4반도체층과; 상기 제2반도체층 상에 제공된 제1전극; 및 상기 제4반도체층 상에 제공된 제2전극;을 포함하는 광반도체장치가 제공되며, 상기 광반도체장치를 동작하는 방법은, 상기 제1반도체층과 상기 제1반도체층의 표면부 내에 있는 제2전도형의 채널층을 형성하기 위한 제2반도체층 사이에 역바이어스전압을 인가(applying)하고; 빛이 수광영역에 입력되어 pn접합이 형성될 때 발생하는 광전류를 검출(detecting)하므로써; 달성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 블루레이저와 같은 단파장 수광소자로서 고감도 및 고속응답성을 가진 광반도체장치가 제공될 수 있다. 간단한 방법에 의해 그리고 낮은 단가의 공정으로 생산될 수 있으며, 단파장 빛에 대한 수광소자로서 고감도 및 고속응답성을 가진 광반도체장치가 제공될 수 있다.
상기한 목적 및 다른 목적, 본 발명의 이점과 특징이 첨부된 도면과 관련하여 설명되는 실시예에 대한 기술로부터 보다 명확해 질 것이다.
이하, 본 발명의 광반도체장치가 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 예시적 구성으로서 포토다이오드와 MOS트랜지스터가 동일한 반도체기판 상에 형성되어 있는 광반도체장치를 보여주는 단면도이다. 도 2에 의하면, 포토다이오드영역(20)은, P형 반도체기판(1)과, P+형 매립층(2)과, P형 에피텍셜층(3)과, P+형 확산층(4)과, N+형 확산층(5)과, 반사방지막(6)과, 필드(field)막(7)과, 어노드(anode)전극(8) 및 캐소 드(cathode)전극을 포함한다. 반면에, MOS트랜지스터영역(40)은, N형 웰확산층(33)과, P+형 확산층(34)과, 게이트산화막+폴리실리콘게이트(35)와, 보호절연막(36) 및 드레인/소스 전극(37)을 포함한다. 또한, 포토다이오드영역과 MOS트랜지스터 사이에는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)가 제공된다.
P형 반도체기판(1)은 P형 실리콘기판과 같은 것이다. P형 반도체기판(1)을 커버하기 위해 P+형 매립층(2)이 제공된다. P+형 매립층(2)은 고농도의 불순물을 함유한 P형 실리콘층으로 예시되었다. P형 에피텍셜층(3)은 P+형 매립층(2)을 커버하기 위해 제공된다. P형 에피텍셜층(3)은 100Ω㎝ 이상의 고저항을 가지고 저농도의 불순물을 가진 실리콘층으로 예시되었다. P+형 확산층(4)은 P형 에피텍셜층(3)의 표면으로부터 수광영역 외부의 소정의 위치 상에 있는 P+형 매립층(2)의 표면까지 관통하도록 제공된다. P형 에피텍셜층(3)의 불순물농도는 P+형 매립층(2) 및 P+형 확산층(4) 보다 낮다. P형 에피텍셜층(3)은 고농도의 불순물을 가진 P형 실리콘층으로 예시되었다. N+형 확산층(5)은 수광영역 외부의 소정의 위치 상에 있는 P형 에피텍셜층(3)의 표면 내부에 얕게 매립(embedded)되어 있다. N+형 확산층(5)은 고농도의 불순물을 가지는 N형 실리콘층으로 예시되었다. 반사방지막(6)은 수광영역 내에 있는 P형 에피텍셜층(3)의 표면(채널영역(30)의 표면)을 커버하도록 제공된다. 반사방지막(6)은, 실리콘산화막과 같은 산화막(6b)과, 실리콘질화막과 같은 질화 막(6a)으로 구성되어 있다. 이 막의 두께는 입사되는 빛의 파장에 따라 빛의 반사를 막을 수 있도록 설정된다. 필드막(7)은 수광영역 외의 P형 에피텍셜층(3)의 표면을 커버하도록 제공된다. 필드막(7)은, 실리콘산화막과 같은 산화막(7b)과, 실리콘질화막과 같은 질화막(7b)으로 구성되어 있다. 어노드전극(8)은 P+형 확산층(4) 위에 있는 필드막(7)의 개구부를 메우고, P+형 확산층(4)에 다다르게 하도록 제공된다. 캐소드전극(9)은 N+형 확산층(5) 상에 있는 필드막(7)의 개구부를 메우고, N+형 확산층(5)에 다다르게 하도록 제공된다. N형 웰확산층(33)이 P형 반도체기판(1) 내에 제공된다. P+형 확산층(34)들이 N형 웰확산층(33) 내에 제공된다. 게이트산화막+폴리실리콘게이트(35)가 P형 반도체기판(1) 상에 제공되며, 보호절연막(36)에 매립된다. 드레인/소스 전극(37)은 P+형 확산층(34) 상에 있는 개구부를 메우고, P+형 확산층(34)에 다다르도록 제공된다. LOCOS(32)는, 포토다이오드영역(20)과 MOS트랜지스터 사이, MOS트랜지스터들 사이를 절연하기 위해 실리콘산화물로 형성된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 구성 중 포토다이오드 영역(20)을 보여주는 평면도이다. 포토다이오드영역(20) 내의 캐소드전극(9)과 어노드전극(8)은 반사방지막(6)이 제공된 수광영역을 둘러싸도록 제공된다. P형 에피텍셜층(3), 캐소드전극(9) 및 어노드전극(8) 사이의 절연은 필드막(7)에 의해 수행된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 동작이 설명된다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 동작원리를 보여주는 단면도이다. 본 실시예에서, 확산층이 수광영역에 형성되지 않으며, 어노드전극(8)과 캐소드전극(9) 사이에 역극성(reverse polarity)의 바이어스를 인가하는 것에 의해 매우 얇은 역전(inversion)층(10)이 필드막(7)과 반사방지막(6)의 바로 아래에 형성되고, 역전층은 캐소드확산층으로서 사용된다. 이하, 더욱 상세하게 설명한다.
고저항(100 Ω㎝ 이상)을 가지는 실리콘막이 P형 에피텍셜층으로 사용되며, 소정 전압의 역바이어스(E)가 어노드전극(8)과 캐소드전극(9) 사이에 인가된다. 그 결과, 매우 얇은 역전층(N+채널)(10)이, 산화막(7b) 및 질화막(7a)으로 구성된 필드막(7)과 산화막(6b) 및 질화막(6a)로 구성된 반사방지막(6)의 바로 아래에서, P형 에피텍셜층(3)의 표면(채널영역(30))상에 형성된다. 매우 얇은 역전층(10)은 캐소드확산층으로서 기능을 한다. 이것은, 말하자면, 빛을 수광하면 역전층(10) 내부에서 포토케리어가 생성되고, 생성된 포토케리어는 농도 구배에 따라 만들어진 내부전기장에 의해 공핍층(11) 안으로 이동되기 때문에, P+형 매립층(2)과 P+형 확산층(4) 및 역전층 (N+ 채널)(10) 사이에 p-n접합을 통해 광전류가 흐른다. 이 때, 역바이어스가 인가될 때, 공핍층(11)은 고저항층측까지 연장된다. 그러므로, 포토다이오드(P+형 매립층(2)과 P+형 확산층(4) 및 역전층 (N+ 채널)(10))의 커패시티가 감소되어 고속응답이 가능해진다.
"+" 전하(charges)는 필드막(7)과 반사막지막(6)의 산화막(SiO2)(7b 및 6b) 내에 현존하는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로, 정공(hole)이 산화막(7b,6b) 내의 "+" 전하에 의해 밀려지기 때문에, P형 에피텍셜층 및 산화막(7b,6b) 사이의 경계부근에 있는 P형 에피텍셜층의 표면 상에는 정공이 부족하게 되는 경우가 있다. 결과적으로, 정공의 농도가 낮은 층이 그 경계를 따라 형성된다. 이 상태에서, 어노드전극(8)과 캐소드전극(9) 사이에 역바이어스(E)가 인가되면, 산화막(7b,6b)을 통해 인가된 +전압때문에 경계근방에 있는 P형 에피텍셜층(3)의 P-영역이 공핍층이 된다. 또한, 고강도(high-intensity)역바이어스가 인가되면, 경계에 모인 전자들에 의해 N형 역전층(10)이 나타난다. 따라서, P+형 매립층(2)과 P+형 확산층(4) 및 역전층(10) 사이에 p-n접합이 실현된다. 역전층(10)이 수광소자의 캐소드확산층으로 사용될 때에는, 이온주입법과 같은 방법에 의해 캐소드확산층을 형성할 필요가 없다. 더욱이, 역전층(10)이 매우 얕게 형성되기 때문에, P형 에피텍셜층(3)의 표면 상에서의 재조합으로 인한 양자효율의 감소가 방지되어 고감도(high sensitivity)의 수광소자가 만들어질 수 있다. 그 결과, 수광영역 내에 극히 얇은 확산층을 형성할 필요가 없다. 확산층이 형성되지 않기 때문에, 수광부분을 제외한 성분을 형성하는데 있어 고온열처리의 영향이 방지될 수 있다.
도 5a 내지 도 5l은 본 발명의 실시예에 의한 광반도체장치의 생산방법을 보여주는 부분단면도이다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 우선, 비저항이 대략 30 Ω㎝(불순물농도: 4.44×1014 ㎝-3 )인 P형 실리콘의 P형 반도체기판(1)이 준비된다. 그 다음, P형 반도체기판(1)을 커버하기 위하여, 불순물확산법에 의해 P+형 매립층(2)이 형성된다. P+형 매립층(2)의 표면저항은 대략 100 Ω/□ 이다. 그 다음, P+형 매립층(2)을 커버하기 위하여, 에피텍셜 성장법에 의해 P형 에피텍셜층(3)이 형성된다. 이 순간, P형 에피텍셜층(3)의 비저항은 100 Ω㎝ 또는 그 이상(불순물농도: 1.33×1014 ㎝-3 이하)이다. 그 다음, 열산화(thermal oxidation)를 통해 P형 에피텍셜층(3)의 표면 상에 실리콘산화물의 산화막(12)이 형성된다.
도 5b에 나타낸 바와 같이, 산화막(12)을 커버하기 위하여 포토레지스트층(13)이 형성되고, 리소그래피공정을 통해 포토레지스트층(13)에 대하여 패턴화가 수행된다. P+형 확산층(4)이 P형 에피텍셜층(3)으로부터 P형 반도체기판까지 연장되도록 이온주입법 또는 불순물확산법에 의해 포토레지스트(13)의 개구부 내에 형성된다. 이 때, P+형 확산층(4)의 불순물농도는 대략 2.0×1019 ㎝- 3 이다.
도 5c에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트(13) 및 산화막(12)을 제거한 뒤에, P+형 확산층(4)의 P형 불순물과 P+형 매립층(2)의 P형 불순물은 서로 확산하고, 열처리공정을 통해 활성화된다. 그 결과, P+형 확산층(4)과 P+형 매립층(2)은 연결된다.
도 5d에 나타낸 바와 같이, P형 에피텍셜층(3) 및 P+형 확산층(4)의 표면을 열산화하는 것에 의해 실리콘산화물의 산화막(14)이 형성된다. 도 5e에 나타낸 바 와 같이, 산화막(14)을 커버하기 위하여 포토레지스트층(15)이 형성되고, 리소그래피공정에 통하여 포토레지스트(15)에 대한 패턴화가 수행된다. 위와 같은 공정을 통하여, 포토레지스트(15) 내에 개구부(16)가 형성된다. 도 5f에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트(15)의 개구부(16) 내에 P형 에피텍셜층(3)의 표면 내부에 N+형 확산층(5)이 이온주입법 또는 불순물확산법에 의해 형성된다. 이 때, N+형 확산층(5)의 불순물농도는 대략 2.0×1019 ㎝- 3 이다.
도 5g에 나타낸 바와 같이, 그 다음에는, 포토레지스트(15) 및 산화막(14)를 제거한 뒤에, N+형 확산층(5) 내의 n형 불순물들은 확산하고 열처리공정을 통해 활성화된다. 그 다음, P형 에피텍셜층(3)과 P+형 확산층(4)의 표면을 열적으로 산화시키는 것에 의해 실리콘산화물의 산화막(7b)이 형성된다. 이 때, 산화막(7b)의 막두께는 대략 50 nm이다. 산화는, 1050℃, 5% 수소(H2)의 분위기에서 ISSG(In Situ Steam Generation)방식으로 수행된다. 그 다음, 산화막(7b)을 커버하기 위하여 실리콘질화물의 질화막(7a)이 CVD방법을 통해 형성된다. 이 때, 질화막(7a)의 막두께는 대략 180 nm이다.
도 5h에 나타낸 바와 같이, 질화막(7a)을 커버하기 위하여 포토레지스트층(17)이 형성되고, 리소그래피공정을 통해 포토레지스트층(17)에 대한 패턴화가 수행된다. 건식에칭을 사용함으로써 포토레지스트층(17)의 개구부(18)에서 질화막(7a)과 산화막(7b)이 제거된다. 그 결과, 개구부(18)에서, P형 에피텍셜층(3)이 노출된다. 노출된 영역이 수광영역이다. 또한, 산화막(7b)과 질화막(7a)의 적층막(laminated film)으로서 필드막(7)이 형성된다.
도 5i에 나타낸 바와 같이, 그 다음에는, P형 에피텍셜층(3)의 노출된 영역을 커버하기 위하여 CVD법에 의해 실리콘산화물의 산화막(6b)이 형성된다. 이 때, 산화막(6b)의 막두께는 대략 10 nm이다. 그 후, 산화막(6b)을 커버하기 위하여 CVD법에 의해 실리콘질화물의 질화막(6a)이 형성된다. 이 때, 질화막(7a)의 막두께는 대략 40 nm이다. 그 다음, 포토레지스트(17)를 제거함으로써, 포토레지스트층(17) 상의 산화막(6b)과 질화막(6a)도 역시 제거된다. 그 결과, 산화막(6b)과 질화막(6a)의 적층막으로서 반사방지막(6)이 수광영역 내에서 형성된다. 산화막(6b) 및 질화막(6a)의 막두께는 들어오는 빛의 파장에 기초하여 미리 결정된다.
도 5j에 나타낸 바와 같이, 필드막(7)과 반사방지막(6)을 커버하기 위하여 포토레지스트층(19)이 형성되고, 리소그래피공정을 통해 포토레지스트(19)에 대한 패턴화가 수행된다. 그 후, 포토레지스트층(19) 내에 개구부들(24,21)이 형성된다. 도 5k에 나타낸 바와 같이, 그 다음에는, 포토레지스트층(19)의 개구부(24,21) 내에서, 건식에칭을 통해 필드막(7) 내부에 통공(through-holes)(22,23)이 형성된다. 이 때, 통공(22)은 N+형 확산층(5) 상에 형성되어 N+형 확산층(5)이 노출되도록 한다. 통공(23)은 P+형 확산층(4) 상에 형성되어 P+형 확산층(4)이 노출되도록 한다. 도 5l에 나타낸 바와 같이, 그 다음에는, 리소그래피공정, 금속막형성공정 및 포토레지스트제거공정을 통하여, 개구부(22)를 메우고 N+형 확산층(5)에 다다르도록 캐 소드전극(9)이 제공되며, 개구부(23)를 메우고 P+형 확산층(4)에 다다르도록 어노드전극(8)이 제공된다.
상기한 공정을 통하여 포토다이오드영역(20)이 만들어진다.
이하, 본 발명의 광반도체장치의 동작방법을 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광반도체장치의 동작을 보여주는 플로차트이다. 첫 째, 광반도체장치(도 2)가 준비된다(S01 단계). 그 다음, 어노드전극(8)과 캐소드전극(9) 사이에 역바이어스(E)를 인가함으로써, 광반도체장치(도 4)가 측정하기 위한 준비상태로 설정된다(S02 단계). 그 다음, 매우 얇은 역전층(N+채널)(10)이, 필드막(7) 및 반사방지막(6) 바로 아래의 P형 에피텍셜층(3)의 표면 상에 형성된다. 매우 얇은 역전층(10)은 캐소드확산층으로서 동작한다. 측정될 빛을 조사(radiating)함으로써, 광반도체장치(도 4)는 빛을 받는다(S03 단계). 빛이 P형 에피텍셜층(3)의 표면에 도달할 때 수광으로 인하여 역전층(10) 내에서 포토케리어가 생성되며, 농도구배에 근거하여 생성되는 내부전기장에 의해 포토케리어가 공핍층(11) 내로 이동하기 때문에, P+형 매립층(2)과 P+형 확산층(4) 및 역전층(N+채널)(10) 사이의 p-n접합을 통해 광전류가 흐른다. 측정은, P+형 매립층(2)과 P+형 확산층(4)을 경유하여 어노드전극(8)으로부터 광전류를 받고 측정하는 방식으로 수행된다.
본 발명에서, 매우 얇은 역전층(N+채널)(10)은 P형 에피텍셜층(3)으로 고저항을 가진 실리콘을 사용하고 어노드전극(8)과 캐소드전극(9) 사이에 역바이어스 (E)를 인가함으로써, 필드막과 반사방지막 아래에서 형성된다. 형성된 N+채널(역전층(10))은 P형 확산층(P+형 매립층(2)과 P+형 확산층(4))을 가진 p-n접합을 통해 수광영역으로서 동작한다. 그러므로, 형성된 극히 얇은 N+채널이 포토케리어의 재조합으로 인한 양자효율의 감소를 방지하기 위하여 캐소드확산층으로서 동작하기 때문에, 반도체 내에 단파장의 빛 입사의 침투길이가 짧은 경우에서 조차도, 포토케리어가 높은 효율로써 광전류로 변환된다.
비록 본 발명이 몇 가지 실시예와 관련하여 설명되었으나, 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 목적이라는 것은 당업자에게 명백하고, 첨부된 특허청구범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명에 따르면, 블루레이저와 같은 단파장의 빛을 고감도와 고속응답성을 가지고 수광할 수 있다. 또한, 블루레이저와 같은 단파장의 빛을 고감도와 고속응답성을 가지고 수광할 수 있는 수광소자가 간단한 방법과 저렴한 단가로 생산될 수 있다.
Claims (12)
- 포토다이오드를 포함하는 광반도체장치에 있어서,제1전도형의 제1반도체층과;수광영역에 있는 상기 제1반도체층의 표면 부로부터 형성된 제2전도형의 채널층(channel layer);을 포함하고,상기 채널층 및 상기 수광영역 내에 있는 상기 제1반도체층이 p-n접합을 형성하는 광반도체장치.
- 제1항에 있어서,상기 제2전도형의 제2반도체층과;상기 수광영역 내에 있는 상기 제1반도체층 상에 형성된 광투과성절연막(light transmissible insulating film);을 더 포함하고,상기 제1 및 상기 제2반도체층 사이에 역바이어스가 인가될 때, 상기 광투과절연막 아래의 상기 제1반도체층의 표면 영역에 상기 채널층이 형성되는 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 제2항에 있어서,상기 제2반도체층은 상기 수광영역을 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 제2항에 있어서,상기 제2반도체층을 둘러싸기 위하여 상기 제2반도체층의 외측에 형성된 상기 제1전도형의 제3반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1전도형은 P형(P-type)이고, 상기 제2전도형은 N형인 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연막은 실리콘산화막인 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1반도체층의 비저항이 100 Ω㎝ 이상인 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1반도체층 아래에 형성되고, 상기 제3반도체층에 연결된 상기 제1전도형의 제4반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 제8항에 있어서,상기 제1반도체층의 불순물농도(impurity concentration)가 상기 제3 및 상기 제4반도체층의 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 포토다이오드가 그 표면 상에(on) 또는 그 위에(above) 형성되는 반도체기판 상에 형성된 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광반도체장치.
- 광반도체장치의 동작방법(operation method)에 있어서,제1전도형의 제1반도체층과, 상기 반도체층 상의 표면부 내에 형성된 제2전도형의 제2반도체층과, 상기 제1반도체층의 아래에 형성된 제1전도형의 제3반도체층과, 상기 제3반도체층까지 상기 제1반도체층을 관통(pass through)하도록 형성된 제1전도형의 제4반도체층과, 상기 제2반도체층 상에 제공된 제1전극 및 상기 제4반도체층 상에 제공된 제2전극을 포함하는, 광반도체장치를 제공하는 단계와;상기 제1반도체층의 표면부 내에 제2전도형의 채널층을 형성하기 위하여 상기 제1반도체층과 상기 제2반도체층 사이에 역바이어스전압을 인가하는 단계와;빛이 수광영역에 입사되어 pn접합영역을 형성할 때 생성되는 광전류를 검출(detecting)하는 단계;를 포함하는 광반도체장치의 동작방법.
- 제11항에 있어서,상기 검출단계는, 청색광(blue light)이 상기 수광영역에 입사될 때 생성되는 광전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 광반도체장치의 동작방법.
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