KR20080074084A - High sensitivity, high resolution detector devices and arrays - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 단지 다수개의 전자들을 포함하는 저레벨 신호들을 기록할 수 있는 단일-채널 및 다중-채널 검출기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다층화(multi-layered), 고체(solid-state) 인텔리전트 증폭기 디자인을 통해서 증폭이 실현되는 애벌랜치(avalanche) 증폭 디바이스에 관한 것이다. The present invention relates to single-channel and multi-channel detectors capable of recording low-level signals comprising only a plurality of electrons. In particular, the present invention relates to an avalanche amplification device in which amplification is realized through a multi-layered, solid-state intelligent amplifier design.
저-레벨 신호들을 검출 및 기록하는 것은 센서 디바이스에 있어 매우 힘든 일이다. 예를 들면, 이러한 디바이스들의 민감도, 선택도, 동작 범위 및 어레이된 배치(arrayed arrangement)는 겨우 수개의 전자들로 구성된 신호들에 대한 정확한 검출을 요구한다. Detecting and recording low-level signals is very difficult for a sensor device. For example, the sensitivity, selectivity, operating range, and arrayed arrangement of such devices require accurate detection of signals consisting of only a few electrons.
저-레벨 신호들을 검출 및 기록하기 위해서 널리 사용되는 접근법 중 하나는 수십개의 전자들의 임계 민감도(threshold sensitivity)를 갖는 전계효과 트랜지스터 상에서의 전하-센서티브 증폭기를 포함하는바, 이는 Albert J. P. Theuwissen 에 의한 Solid-State Imaging with Charge-Coupled Device (1995년에 Kluwer에 의해 출판됨, ISBN 0-7923-3456-6)에 기술되어 있다. One widely used approach for detecting and recording low-level signals includes a charge-sensitive amplifier on a field effect transistor with a threshold sensitivity of dozens of electrons, which is solid by Albert JP Theuwissen. State Imaging with Charge-Coupled Device (published by Kluwer in 1995, ISBN 0-7923-3456-6).
또 다른 접근법은, 전하결합소자로 구성된 출력 비디오 신호 증폭기를 포함 하는바, 이는 전계효과 트랜지스터 상에서의 전하-센서티브 증폭기의 경우와 거의 유사한 민감도를 보장한다. Another approach involves an output video signal amplifier comprised of charge coupled devices, which ensures a sensitivity that is nearly similar to that of a charge-sensitive amplifier on a field effect transistor.
약한 전기적인 신호를 감지하는 또 다른 접근법은 신호 캐리어의 애벌랜치 증폭 또는 증식(multiplication)을 사용하는 것인데, 이는 일반적으로 가장 민감하며 고속인 증폭 방법이다. 애벌랜치 타입의 디바이스는, F. Capasso 에 의한 Physics of Avalanche Photodiode in Semiconductors and Semimetals(1985년에 Academic Press에 의해 출판됨, Vol. 22)에 서술된 것들을 포함한다. Another approach to sensing weak electrical signals is to use avalanche amplification or multiplication of signal carriers, which is generally the most sensitive and fast amplification method. Avalanche type devices include those described in Physics of Avalanche Photodiode in Semiconductors and Semimetals (published by Academic Press in 1985, Vol. 22) by F. Capasso.
애벌랜치 증폭은 강한 전기장에서 발생하는 충돌 이온화(impact ionization)에 기반하는바, 전기장에서 가속된 신호 캐리어들은 증폭기의 워킹 매체(working medium)의 원자들을 이온화하며, 따라서 신호 캐리어들의 증식(multiplication)(예컨대, 복제 duplication)을 야기한다. 하지만, 매우 높은 증식 계수(multiplication factor)에서는, 애벌랜치 증폭 동작점을 안정화시키기가 어렵다. 또한, 내부(과도: excessive) 잡음 레벨 및 응답 시간은, 증식 계수가 증가함에 따라 빠르게 증가한다. 이처럼 통상적인 애벌랜치 포토다이오드들은 비교적 작은(전형적으로는 103 보다 작은) 증식 계수 M 을 사용하는바, 이는 광대역(wide band)에서 수개의 전자들로 이루어진 신호들을 검출 및 기록하는 것을 방해한다.Avalanche amplification is based on impact ionization occurring in a strong electric field, where the accelerated signal carriers ionize the atoms of the working medium of the amplifier, thus multiplication of the signal carriers (e.g., Causing duplication). However, at very high multiplication factors, it is difficult to stabilize the avalanche amplification operating point. In addition, the internal (excessive) noise level and response time increase rapidly as the propagation factor increases. Such conventional avalanche photodiodes use a relatively small (typically less than 10 3 ) propagation factor M, which prevents the detection and recording of signals consisting of several electrons in a wide band.
또한, 애벌랜치 증식은, 가이거-뮬러 계수관(Geiger-Muller counter)을 이용하여 개별적으로 이온화된 입자들을 기록하는데 적용되어 왔는바, 이는 Ekstrom 에 의한 USPN 4,303,861 에 서술된 바와같다. 이러한 디바이스로 들어가는 입자들은, 필요한 기록 레벨까지 신호 캐리어들의 애벌랜치 유사한 증식 과정을 개시한다. 좀더 최근에는, 이러한 원리는 반도체 애벌랜치-타입 포토다이오드에서 단일 전하 캐리어를 기록하는데 성공적으로 사용되어 왔다. 하지만, 이러한 가이거-뮬러 증폭 원리는, 하나 또는 다수의 입력 전하 캐리어들 내의 신호들을 구별하지 못한다(즉, 몇몇개의(a number of) 전하 캐리어들에 대해서는 고 해상력을 제공하지 못한다).Avalanche proliferation has also been applied for recording individually ionized particles using a Geiger-Muller counter, as described in USPN 4,303,861 by Ekstrom. Particles entering this device initiate an avalanche-like proliferation process of signal carriers to the required recording level. More recently, this principle has been used successfully to write single charge carriers in semiconductor avalanche-type photodiodes. However, this Geiger-Müller amplification principle does not distinguish signals within one or multiple input charge carriers (ie, does not provide high resolution for a number of charge carriers).
Shushakov 등등은 USPN 6,885,827 에서, 독립적으로 증폭되는 독립적인 신호 구성요소들로 입력 신호를 분배함에 의해서, 입력 신호를 검출하는 시스템 및 방법을 서술 및 청구하고 있는바, 따라서, 높은 증식 계수, 저잡음, 및 빠른 응답속도를 특별하게 가능케한다. 상기 발명은 다수의 단계들을 포함한다. 신호는 다중-채널 임계 증폭기의 개별 채널들로 할당되는바, 각 채널은 오직 하나의 기본적인(elementary) 전기 전하만을 갖는 방식으로 할당된다. 증폭기의 각각의 채널은, 입력에서의 하나의 전자를 출력에서의 조정된(calibrated) 전하 패킷으로 변환(conversion)시킨다. 각 채널의 출력 신호들의 합산은, 겨우 여러개의 전자 전기신호의 값에 대한 측정을 가능케하는바, 상기 전기 신호는 높은 정확성을 갖는 이산(discrete) 증폭기의 입력으로 전달된다. 하나의 전자에 대한 조정된(calibrated) 증폭이 이산 증폭기의 각각의 채널에서 제공된다. Shushakov et al. Describe and claim in US Pat. No. 6,885,827 a system and method for detecting an input signal by distributing the input signal to independent signal components that are independently amplified, thus providing a high propagation factor, low noise, and It enables specially fast response speed. The invention includes a number of steps. The signal is assigned to the individual channels of the multi-channel threshold amplifier, where each channel is assigned in such a way that it has only one elementary electrical charge. Each channel of the amplifier converts one electron at the input into a calibrated charge packet at the output. The summation of the output signals of each channel makes it possible to measure the value of only several electronic electrical signals, which are delivered to the input of a discrete amplifier with high accuracy. Calibrated amplification for one electron is provided in each channel of the discrete amplifier.
임계 애벌랜치 증폭기 이외에도, 각각의 채널은 증폭된 전하 신호 패킷을 축적하는 축적기(integrator)를 장비한다. 요구되는 전하 패킷을 수신한 이후에, 축적기는 조절기(governor)를 통하여 정량화기(quantifier)와 통신하는바, 이는 채널을 오프(off)한다. 조절기는 상기 정량화기의 전위를 조절하기 위해 사용되며, 상 기 채널을 그 초기 상태로 되돌리기 위해서 상기 축적기로부터 전하를 배출(drain)하기 위해 사용된다.In addition to the threshold avalanche amplifier, each channel is equipped with an integrator that accumulates amplified charge signal packets. After receiving the required charge packet, the accumulator communicates with the quantifier via a governor, which turns off the channel. A regulator is used to adjust the potential of the quantifier and to drain the charge from the accumulator to return the channel to its initial state.
따라서, 약한 신호를 검출하는 것을 가능케하는 또 다른 진보 및 개량에 대한 필요성이 존재한다.Thus, there is a need for further advances and improvements that make it possible to detect weak signals.
따라서, Shushakov 등등에 의한 USPN 6,885,827 에서 제공되는 시스템 및 방법과 호환가능하며, 약한 신호들의 검출을 더욱 향상시키고 개선할 수 있는, 증폭 애벌랜치 구조가 요구된다. Accordingly, there is a need for an amplifying avalanche structure that is compatible with the systems and methods provided in USPN 6,885,827 by Shushakov et al., Which can further improve and improve the detection of weak signals.
본 발명의 목적은 Shushakov 등등에 의한 USPN 6,885,827 에서 제공되는 시스템 및 방법과 호환가능하며, 약한 신호들의 검출을 더욱 향상시키고 개선할 수 있는, 증폭 애벌랜치 구조를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide an amplifying avalanche structure that is compatible with the systems and methods provided in USPN 6,885,827 by Shushakov et al., Which can further enhance and improve the detection of weak signals.
본 발명에 따르면, Shushakov 등등에 의해 설명된 원리에 기초하여 동작하는 증폭 애벌랜치 구조에 대한 다양한 실시예가 개시된다. 본 발명은, 겨우 몇개의 전자들로 구성된 약한 신호를 검출하도록 배치된, 투명(transparent) 및 비투명(non-transparent) 전극들, 애벌랜치 영역, 정량화기, 축적기, 조절기, 및 기판을 포함한다. 애벌랜치 증폭 구조는, 정상 정량화기, 역 바이어스 디자인; 정상 정량화기, 정상 바이어스 디자인; 측면(lateral) 정량화기, 정상 바이어스 디자인; 변화가능한 정량화기, 정상 바이어스, 조정 전극 디자인; 정상 정량화기, 정상 바이어스, 조정 전극 디자인; 및 측면 정량화기, 정상 바이어스, 환상(annular) 축적기 디자인을 포함한다. 증폭 구조들은 다중-채널 디바이스들을 형성하도록 유사하게 배치된다. In accordance with the present invention, various embodiments are disclosed for an amplifying avalanche structure operating based on the principles described by Shushakov et al. The present invention includes transparent and non-transparent electrodes, avalanche regions, quantifiers, accumulators, regulators, and substrates, arranged to detect a weak signal consisting of only a few electrons. . Avalanche amplifying structures include a normal quantifier, reverse bias design; Normal quantifier, normal bias design; Lateral quantifier, normal bias design; Variable quantifier, normal bias, regulating electrode design; Normal quantifier, normal bias, adjustable electrode design; And lateral quantifier, normal bias, annular accumulator design. The amplifying structures are similarly arranged to form multi-channel devices.
본 발명의 여러 실시예들에 따르면, 가이거 모드(Geiger mode)에서 동작하는 증폭 애벌랜치 구조는, 2개의 전극들, 애벌랜치 영역, 단일 전하의 축적을 위한 축적기, 애벌랜치 프로세스를 턴온 및 턴오프 하기 위한 정량화기, 평면 기판 상에 배치된 반도체 구조로 구성된 축적기로부터 전하를 배출시키기 위한 조절기를 포함하며, 상기 조절기 및 축적기는 상기 전극들 중 하나의 후방에 순차적으로 배치되며, 애벌랜치 영역은, 애벌랜치 영역과 조절기 사이에서는 전기적인 접촉이 없게끔 상기 축적기 영역의 에지 주변부에 인접하며, 상기 정량화기는 상기 애벌랜치 영역과 인접하는 축적기 표면에 의해서 제공된다. 조절기는 상기 애벌랜치 영역과 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있지만, 덜 도핑되거나 또는 더 넓은 밴드갭을 갖는다. 증폭 애벌랜치 구조의 하부 사이드 상의 기판은 강하게 도핑된 층일 수도 있는바, 이 층은 애벌랜치 영역과 동일한 타입의 전도성을 가지며 애벌랜치 영역과 동일한 반도체 물질로 구성된다. 상기 기판은 또한, 애벌랜치 영역 물질과 동일한 전도성 타입이지만 애벌랜치 영역 물질보다는 덜 도핑된 반도체 물질로 구성될 수도 있다. 하부 컨택 사이드 상에서, 상기 기판은 상기 애벌랜치 영역과 동일한 전도성 타입의 고도로 도핑된 컨택층을 가질 수도 있다. According to various embodiments of the present invention, an amplifying avalanche structure operating in Geiger mode includes two electrodes, an avalanche region, an accumulator for accumulation of a single charge, and an avalanche process for turning on and off. A quantifier, a regulator for discharging charge from an accumulator composed of a semiconductor structure disposed on a planar substrate, the regulator and accumulator being sequentially disposed behind one of the electrodes, the avalanche region being an avalanche region. Adjacent the edge periphery of the accumulator region such that there is no electrical contact between the and the regulator, the quantifier is provided by an accumulator surface adjacent to the avalanche region. The regulator may be composed of the same semiconductor material as the avalanche region, but has less doped or wider bandgap. The substrate on the lower side of the amplifying avalanche structure may be a heavily doped layer, which has the same type of conductivity as the avalanche region and consists of the same semiconductor material as the avalanche region. The substrate may also be composed of the same conductivity type as the avalanche region material but less doped than the avalanche region material. On the bottom contact side, the substrate may have a highly doped contact layer of the same conductivity type as the avalanche region.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 애벌랜치 영역으로의 컨택은, 기판의 백(back) 또는 바닥 사이드 상에 배치된 전극을 통해서 유효해질 수 있으며, 또는 기판의 상부 사이드 상에 배치된 전극을 통해서 유효해질 수 있다. According to other embodiments of the invention, the contact to the avalanche region may be enabled through an electrode disposed on the back or bottom side of the substrate, or through an electrode disposed on the upper side of the substrate. Can be validated.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 증폭 애벌랜치 구조의 전체 상부 표면은, 상기 조절기가 배치되는 영역을 제외하고는 유전층으로 커버될 수도 있다. According to another embodiment of the invention, the entire upper surface of the amplifying avalanche structure may be covered with a dielectric layer except for the region in which the regulator is disposed.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유전층은 축적기 및 애벌랜치 영역의 상부 표면들 상에 배치되며, 상기 조절기 층과 접촉하는 전극은 애벌랜치 구조의 전체 상부 표면을 점유한다. 또는 상부 전극을 구비한 조절기가 애벌랜치 구조의 표면을 따라서 배치된다. According to another embodiment of the present invention, a dielectric layer is disposed on the top surfaces of the accumulator and avalanche regions, and the electrodes in contact with the regulator layer occupy the entire top surface of the avalanche structure. Or a regulator with an upper electrode is disposed along the surface of the avalanche structure.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 상부 전극은 애벌랜치 구조의 전체 표면을 따라서 배치될 수도 있으며, 상기 전극은 투명할 수도 있다.According to another embodiment of the present invention, the upper electrode may be disposed along the entire surface of the avalanche structure, and the electrode may be transparent.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 증폭 애벌랜치 구조는, 애벌랜치 영역의 일측을 따라서 배치된 신호 전송층을 포함하는바, 신호 전송층은 애벌랜치 영역만큼 도핑되고 애벌랜치 영역과 동일한 반도체 물질 및 전도성 타입으로 구성되거나 또는 애벌랜치 영역보다 더 좁은 밴드갭을 갖는다. 상기 기판 및 모든 층들은 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있는바, 예를 들면, Si, SiC, GaN, GaAs, 및 GaP를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the amplifying avalanche structure includes a signal transmission layer disposed along one side of the avalanche region, wherein the signal transmission layer is doped with the avalanche region and is composed of the same semiconductor material and conductivity type as the avalanche region. Or have a narrower bandgap than the avalanche region. The substrate and all layers may be composed of the same semiconductor material, for example Si, SiC, GaN, GaAs, and GaP.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 증폭 애벌랜치 구조는, 상기 애벌랜치 영역과 직접적인 전기적 접촉은 갖지 않도록, 상기 축적기와 상기 조절기 사이에 배치된 추가 전도성 컨택 영역을 가질 수도 있다. 그리고 증폭 애벌랜치 구조는, 축적기 및 애벌랜치 영역의 상부 표면 상에 차단층을 가질 수도 있는바, 이는 상기 조절기와 접촉하는 상기 상부 전극과 전기적인 접촉을 갖지 않는다. 차단층의 전체 상부 표면 상에는 유전층이 적용될 수도 있으며, 상기 조절기와 접촉하는 상기 상부 전극은 애벌랜치 구조의 전체 상부 표면을 점유할 수 있다. 차단층은 상기 애벌랜치 영역과 동일한 전도성 타입의 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있으며 상기 애벌랜치 영역만큼 도핑될 수 있다. 차단층은 반대되는 전도성 타입의 반도체 물질로 구성될 수도 있으며, 애벌랜치 영역보다는 덜 도핑될 수 있다. 상기 기판 및 모든 층들은 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있는바, 예를 들면, Si, SiC, GaN, GaAs, 및 GaP를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the amplifying avalanche structure may have an additional conductive contact region disposed between the accumulator and the regulator such that there is no direct electrical contact with the avalanche region. And the amplifying avalanche structure may have a barrier layer on the accumulator and the top surface of the avalanche region, which do not have electrical contact with the top electrode in contact with the regulator. A dielectric layer may be applied over the entire top surface of the blocking layer, and the top electrode in contact with the regulator may occupy the entire top surface of the avalanche structure. The blocking layer may be made of the same semiconductor material of the same conductivity type as the avalanche region and may be doped by the avalanche region. The barrier layer may be composed of a semiconductor material of opposite conductivity type and may be less doped than the avalanche region. The substrate and all layers may be composed of the same semiconductor material, for example Si, SiC, GaN, GaAs, and GaP.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 평면 기판을 따라서 배치되고 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 증폭 구조는, 2개의 전극들, 기판과 상부 제 1 전극 사이에 배치된 조절기, 조절기의 사이드 주변부 상에 배치된 축적기, 및 상기 축적기의 외부 사이드 주변부 상에 배치된 애벌랜치 영역을 포함하는바, 정량화기는 애벌랜치 영역과 인접하는 축적기 표면에 의해서 수행된다. 상기 기판은 애벌랜치 영역과 동일한 컨덕턴스 타입을 갖는 물질로 만들어지나, 더 높은 저항을 갖는다. 상기 증폭 구조는 축적기 및 애벌랜치 영역의 상부 표면들을 따라 배치된 유전층을 포함할 수도 있으며, 조절기층과 접촉하는 상부 제 1 전극은 애벌랜치 구조의 전체 상부 표면을 커버한다. 상기 축적기 및 애벌랜치 영역의 상부 표면들 상의 증폭 구조는, 애벌랜치 영역과 동일한 컨덕턴스 타입의 반도체 물질로 구성되지만 더 높은 저항을 갖는 차단층을 포함할 수도 있다. 블록킹 전극에 의해서, 상기 조절기와 접촉하고 있는 상부 전극과는 어떠한 전기적인 접촉도 허용되지 않는다. According to another embodiment of the present invention, an avalanche amplifying structure disposed along a planar substrate and operating in Geiger mode is arranged on two electrodes, a regulator disposed between the substrate and the upper first electrode, a side periphery of the regulator. And an avalanche region disposed on the outer side periphery of the accumulator, wherein the quantifier is performed by an accumulator surface adjacent to the avalanche region. The substrate is made of a material having the same conductance type as the avalanche region, but with a higher resistance. The amplifying structure may comprise a dielectric layer disposed along the upper surfaces of the accumulator and avalanche regions, wherein the upper first electrode in contact with the regulator layer covers the entire upper surface of the avalanche structure. The amplifying structure on the upper surfaces of the accumulator and avalanche region may comprise a blocking layer composed of the same conductance type semiconductor material as the avalanche region but having a higher resistance. By means of the blocking electrode no electrical contact is allowed with the top electrode in contact with the regulator.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가이거 모드에서 동작하는 증폭 애벌랜치 구조는 2개의 전극들, 애벌랜치 영역, 단일 전하의 축적을 위한 축적기, 애벌랜치 프로세스를 턴온 및 턴오프하기 위한 정량화기, 및 축적기로부터 전하를 배출하기 위한 조절기를 포함하는바, 상기 조절기 및 축적기는 상기 전극들 중 하나의 후방에 순차적으로 배치되며, 애벌랜치 영역과 조절기 사이에서는 전기적인 접촉이 없게끔 애벌랜치 영역은 상기 축적기의 에지 주변부에 인접하며, 상기 정량화기는 상기 애벌랜치 영역과 인접하는 축적기 표면에 의해서 제공되는바, 애벌랜치 영역과 접촉하는 유전층 상에 배치된 제 3 전극을 포함한다. 상기 기판은, 애벌랜치 영역 물질과 동일한 전도성 타입이지만 애벌랜치 영역 물질보다는 덜 도핑된 반도체 물질로 구성될 수도 있다. 또한, 전도성 컨택 영역이 축적기 및 조절기 사이에 배치될 수도 있는바, 이는 애벌랜치 영역과 직접적인 전기적 컨택을 회피하기 위함이다. 그리고 축적기 및 애벌랜치 영역의 표면들 사이에서, 일 측에서, 및 상기 유전층, 다른 일측에서, 애벌랜치 영역과 동일한 전도성 타입의 반도체 물질이지만 더 낮은 도핑 불순물 농도를 갖는 차단층이 배치될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, an amplifying avalanche structure operating in Geiger mode includes two electrodes, an avalanche region, an accumulator for accumulation of a single charge, a quantifier for turning on and off an avalanche process, and an accumulator A regulator for discharging charge from the regulator, wherein the regulator and accumulator are sequentially disposed behind one of the electrodes, the avalanche region being the edge of the accumulator such that there is no electrical contact between the avalanche region and the regulator. Adjacent to the periphery, the quantifier includes a third electrode disposed on the dielectric layer provided by the accumulator surface adjacent to the avalanche region and in contact with the avalanche region. The substrate may be composed of the same conductivity type as the avalanche region material but less doped than the avalanche region material. In addition, a conductive contact region may be disposed between the accumulator and the regulator to avoid direct electrical contact with the avalanche region. And between the surfaces of the accumulator and avalanche regions, on one side, and on the other side, the dielectric layer, on the other side, a barrier layer of the same conductivity type semiconductor material as the avalanche region but having a lower doping impurity concentration may be disposed.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가이거 모드에서 동작하는 증폭 애벌랜치 구조는, 애벌랜치 영역, 단일 전하의 축적을 위한 축적기, 애벌랜치 프로세스를 턴온 및 턴오프하기 위한 정량화기, 축적기로부터 전하을 배출하고 2개의 전극들 사이의 강하게 도핑된 기판 상에 배치된 정량화기를 제어하기 위한 조절기를 포함할 수 있으며, 동일한 전도성 타입을 갖지만 더 높은 저항을 갖는 물질로 구성된 애벌랜치 영역의 층들이 그 상에 배치된다. 축적기는, 기판, 고-임피던스 반도체 물질의 조절기, 및 애벌랜치 영역과 축적기 사이의 인터페이스에서 제공된 정량화기의 전도성과 반대되는 타입의 전도성을 가지며 강하게 도핑된 반도체 물질로 구성될 수도 있다. 축적기는 상기 기판 평면과 평행한 방향의 낮은 컨덕턴스를 가질 수도 있다. 상기 기판 및 증폭 애벌랜치 구조의 모든 층들(조절기는 제외)은 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있다. 조절기층은 다른 층들 및 기판을 구성하는 물질과 동일한 물질로 구성될 수도 있으며 또는 이보다 더 넓은 밴드갭을 가질 수도 있다. 증폭 애벌랜치 구조는 단일 전송층을 포함할 수도 있는바, 상기 전송층은 자유 전하 캐리어들을 생성할 수 있으며 상기 전하들을 애벌랜치 영역으로 전송할 수 있다. 기판 및 모든 층들은 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있는바, 예를 들면, Si, SiC, GaN, GaAs, 및 GaP를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, an amplifying avalanche structure operating in Geiger mode comprises an avalanche region, an accumulator for the accumulation of a single charge, a quantifier for turning on and off an avalanche process, and discharging charge from the accumulator. A regulator for controlling the quantifier disposed on the strongly doped substrate between the two electrodes, wherein layers of avalanche regions composed of a material having the same conductivity type but of higher resistance are disposed thereon. The accumulator may be composed of a strongly doped semiconductor material with a conductivity of the type opposite to that of the substrate, the regulator of the high-impedance semiconductor material, and the quantifier provided at the interface between the avalanche region and the accumulator. The accumulator may have a low conductance in a direction parallel to the substrate plane. All layers (except regulators) of the substrate and the amplifying avalanche structure may be composed of the same semiconductor material. The regulator layer may be composed of the same material as the other layers and the material constituting the substrate, or may have a wider bandgap. The amplifying avalanche structure may comprise a single transport layer, which may generate free charge carriers and transfer the charges to the avalanche region. The substrate and all layers may be composed of the same semiconductor material, for example Si, SiC, GaN, GaAs, and GaP.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 증폭 구조는, 2개의 전극들 사이의 기판 상에 마운트된 평면 박판형(laminate)인 반도체 구조를 포함하는바, 애벌랜치 영역의 층 및 축적기로부터 전하를 배출할 수 있으며 정량화기를 제어할 수 있는 조절기 층이 차례 차례로 배치된다. 신호 전하를 축적할 수 있는 축적기의 기능 및 애벌랜치 프로세스를 턴온 및 턴오프하는 정량화기의 기능은, 애벌랜치 영역 및 조절기 사이의 인터페이스에서 수행된다. 애벌랜치 영역 및 조절기 사이의 상기 인터페이스는 상기 기판 평면과 평행한 방향의 낮은 컨덕턴스를 가질 수도 있다.According to another embodiment of the present invention, an avalanche amplifying structure operating in Geiger mode includes a planar laminate semiconductor structure mounted on a substrate between two electrodes, the layer and accumulator of the avalanche region. The regulator layers are arranged in turn, capable of releasing charge from and controlling the quantifier. The function of the accumulator capable of accumulating signal charge and the quantifier's ability to turn on and off the avalanche process is performed at the interface between the avalanche region and the regulator. The interface between the avalanche region and the regulator may have a low conductance in a direction parallel to the substrate plane.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 증폭 구조는, 강하게 도핑된 기판 상의 두개의 전극들 사이에 배치된 평면 박막형인 반도체 구조를 포함하여 구성될 수도 있는바, 기판과는 반대되는 타입의 컨덕턴스를 갖는 반도체로 구성된 애벌랜치 영역의 층 및 정량화기가 기판 및 애벌랜치 영역 사이의 인터페이스에서 제공되도록 고임피던스 반도체 물질로 구성된 조절기 층이 기판 상에 연속하여 배치되며, 축적기는 애벌랜치 영역 및 조절기 사이의 인터페이스에서 제공된다. According to another embodiment of the present invention, an avalanche amplifying structure operating in Geiger mode may comprise a planar thin film semiconductor structure disposed between two electrodes on a strongly doped substrate, as opposed to a substrate. A regulator layer composed of high impedance semiconductor material is disposed successively on the substrate such that a layer of avalanche regions composed of semiconductors having a conductance of the type and a quantifier are provided at the interface between the substrate and the avalanche regions, and the accumulator is disposed between the avalanche regions and the regulator. Is provided in the interface.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 증폭 구조는, 강하게 도핑된 기판 상의 두개의 전극들 사이에 배치된 평면 박막형인 반도체 구조를 포함하여 구성될 수도 있는바, 상기 기판 상에는, 고임피던스 반도체 물질로 구성된 조절기 층, 기판 물질과 동일한 타입의 컨덕턴스를 가지며 강하게 도핑된 물질로 구성된 축적기 층 및 정량화기가 애벌랜치 영역 및 축적기 사이의 인터페이스에서 제공되도록 기판과는 반대되는 타입의 컨덕턴스를 갖는 반도체로 구성된 애벌랜치 영역의 층이 연속하여 배치된다. 모든 층들 및 기판은 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있으며, 또는 모든 층들(조절기는 제외)은 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있으며, 조절기 층은 다른 층들 및 기판보다 더 넓은 밴드 갭을 갖는 물질로 구성될 수도 있다. 신호-전송층이 상부 전극 및 애벌랜치 영역 사이에 배치될 수 있으며, 상기 신호-전송층은 자유 전하 캐리어들을 생성할 수 있으며 상기 전하들을 애벌랜치 영역으로 전송할 수 있다. 신호-전송층을 제외한 모든 층들은, 동일한 반도체 물질로 구성될 수 있으며, 반면에 상기 신호-전송층은, 애벌랜치 영역과 동일한 컨덕턴스 타입을 갖는 더 좁은 밴드 갭 반도체 물질 또는 고-저항 반도체 물질로 구성될 수도 있다. 상기 기판 및 모든 층들은 동일한 반도체 물질로 구성될 수도 있는바, 예를 들면, Si, SiC, GaN, GaAs, 및 GaP를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, an avalanche amplifying structure operating in Geiger mode may comprise a planar thin film semiconductor structure disposed between two electrodes on a strongly doped substrate, wherein on the substrate: A regulator layer composed of a high-impedance semiconductor material, a conductance layer of the same type as the substrate material, and an accumulator layer composed of a strongly doped material and a type of conductance opposite to the substrate so that the quantifier is provided at the interface between the avalanche region and the accumulator. The layers of the avalanche regions composed of semiconductors having are arranged in succession. All layers and substrate may be composed of the same semiconductor material, or all layers (except regulators) may be composed of the same semiconductor material, and the regulator layer may be composed of a material having a wider band gap than other layers and substrates. It may be. A signal-transport layer can be disposed between the upper electrode and the avalanche region, which can generate free charge carriers and transfer the charges to the avalanche region. All layers except the signal-transport layer may be made of the same semiconductor material, whereas the signal-transport layer is made of a narrower band gap semiconductor material or a high-resistance semiconductor material having the same conductance type as the avalanche region. May be The substrate and all layers may be composed of the same semiconductor material, for example Si, SiC, GaN, GaAs, and GaP.
후술될 개시내용은 다양한 예시적인 개별 구조 또는 단일 구조를 설명하고 있는바, 이들 구조들은 독립된 방식으로 사용되거나 또는 이산(discrete) 증폭기의 매트릭스들로 통합될 수도 있다. 즉, 원칙적으로는 각각의 개별 구조는, 필요한 것이 완비된(self-contained) 기능 디바이스로서 사용될 수 있는바, 이는 가이거 애벌랜치 포토다이오드(Geiger avalanche photodiode) 또는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(Single photon avalanche diodes : SAPDs), 또는 내부 이산 증폭기(internal discrete amplifier)와 유사하다. 하지만, 이들 개별 구조들은 또한 통합하기에도 매우 적절하기 때문에, 다중-채널 내부 이산 증폭기, 또는 다중-채널 가이거 모드 증폭기, 또는 다중-채널 SAPD 어레이를 제공할 수도 있다.The disclosure to be described below describes various exemplary individual structures or single structures, which may be used in a standalone manner or integrated into matrices of discrete amplifiers. That is, in principle, each individual structure can be used as a self-contained functional device, which requires Geiger avalanche photodiode or Single photon avalanche diodes (SAPDs). Or an internal discrete amplifier. However, these individual structures are also well suited to integrate, and thus may provide a multi-channel internal discrete amplifier, or a multi-channel Geiger mode amplifier, or a multi-channel SAPD array.
이러한 구조 및 추가 구조들에 대응하는 예시적인 청구항들을 포함하여, 기본(basic), 이산 증폭기 구조들에 대한 예시적인 실시예들이 개시된 이후에, 앞서 설명된 이산 디바이스 구조들의 어레이에 기초한 다중-채널 이산 증폭기들에 대한 다양한 예시적인 실시예들이 설명된다. After exemplary embodiments of basic, discrete amplifier structures have been disclosed, including exemplary claims corresponding to this structure and additional structures, multi-channel discrete based on the array of discrete device structures described above Various exemplary embodiments of amplifiers are described.
해당 기술분야의 당업자들이라면, 예시적인 청구항 부분에 의한 개시부분을 포함하여 본 명세서에 설명된 바가, 본 발명의 예시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명을 제한하거나 또는 본 발명에 의해서 성취될 수 있는 장점들을 제한하고자 함이 아님을 충분히 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 바람직한 다양한 실시예들을 예시하고 있는 도면들은, 발명의 상세한 설명 및 예시적인 청구항들과 더불어, 본 발명의 원리를 설명하도록 소용된다. 또한, 예시적인 청구항들은, 발명자에 의해 생각되고, 고려되고, 의도된 것처럼 본 발명의 범위를 제한하고자 의도된 것이 아니며, 본 발명에 의해서 포용된 기술적 사상에 대한 추가 이해 및 명세를 제공하기 위해서 설명되었다. 이러한 관점에서, 이러한 예시적인 청구항들은 이들이 포용하는 예시적인 실시예들과 함께 및 이를 참조하여 제시되며, 이러한 병치(juxtaposition) 및 예시적인 청구항들 및 도면들의 참조는 청구항들을 실시예에 한정하도록 의도된 것이 아니며, 본 발명의 범위를 본 명세서에 열거된 예시적인 청구항들에 한정하도록 의도된 것이 아니다.Those skilled in the art, including those disclosed by the exemplary claims, are described for the purposes of illustration and description of the present invention, and may restrict or limit the present invention. I will fully understand that I do not intend to limit them. Accordingly, the drawings illustrating various preferred embodiments of the present invention, together with the description and exemplary claims, serve to explain the principles of the invention. Furthermore, the exemplary claims are not intended to limit the scope of the invention as contemplated, contemplated, and intended by the inventor, and are provided to provide further understanding and specification of the technical spirit embraced by the invention. It became. In this regard, these exemplary claims are presented in conjunction with and with reference to the exemplary embodiments they embrace, and such juxtaposition and reference to the exemplary claims and figures is intended to limit the claims to the embodiments. It is not intended to be exhaustive or to limit the scope of the invention to the example claims listed herein.
따라서, 해당 기술분야의 당업자라면, 본 명세서에서 설명된 실시예들과 대안적인 구현예들 및 변형예들은 단지 본 발명에 대한 예시일 뿐이라는 것을 능히 이해할 것이며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 다양한 실시예들의 비제한적인 예시적인 특징에 따르면, 이러한 디바이스들은, 가령, 실리콘에 전적으로 기반하고 있는, 완전히 동질성인(homogeneous) 반도체 디바이스들일 수도 있다. 하지만, 해당 기술분야의 당업자라면, 이러한 디바이스들은 화합물 반도체를 포함하는 다른 물질들로 구현될 수도 있으며, 그리고 동질성일 필요는 없으며 이종(heterogeneous) 구성요소를 포함할 수도 있음을 이해할 것이다. 좀더 상세하게 일례를 든다면, 비록 후술될 예시적인 실시예들에서는 전체 디바이스를 통해서 반도체 물질로서 단결정 실리콘이 이용되고 있지만, 해당 기술분야의 당업자라면, 이산 디바이스들 및/또는 어레이의 하나 또는 그 이상의 구성요소(들), 층(들) 또는 부분(들)을 구현하기 위해서, 다른 단결정, 다결정, 원소, 및/또는 화합물 반-전도성 물질들이 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 이와 유사하게, 비록 후술될 예시적인 실시예들은 동종 접합들(homo-juctions) 및 이종 접합들(hetero-junctions)을 채용하고 있긴 하지만, 원하는 기능을 성취하기 위해서는 금속-반도체 접합들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 상기 조절기는 보다 넓은 밴드 갭 물질을 통해서 구현될 수도 있는 반면에, 신호 전송 영역은 다른 층들보다 더 낮은 밴드 갭 물질을 갖는다. 또한, 본 명세서에서 명시적으로 설명된 것들과는 상이한 다양한 절연성 및 전도성(예컨대, 금속) 물질들이 적용될 수도 있는바, 이는 해당 기술분야의 당업자들에게 능히 이해된다.Thus, it will be apparent to those skilled in the art that the embodiments described herein and the alternative embodiments and modifications are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited thereto. For example, according to the non-limiting exemplary feature of the various embodiments, such devices may be completely homogeneous semiconductor devices based, for example, entirely on silicon. However, one of ordinary skill in the art will appreciate that such devices may be implemented with other materials, including compound semiconductors, and need not be homogeneous, but may include heterogeneous components. To illustrate in more detail, although single crystal silicon is used as the semiconductor material throughout the entire device in the exemplary embodiments described below, one of ordinary skill in the art would appreciate one or more of the discrete devices and / or arrays. It will be appreciated that other single crystal, polycrystalline, elemental, and / or compound semi-conductive materials may be used to implement the component (s), layer (s) or portion (s). Similarly, although the exemplary embodiments described below employ homo-juctions and hetero-junctions, metal-semiconductor junctions may be used to achieve the desired function. For example, the regulator may be implemented through a wider band gap material, while the signal transmission region has a lower band gap material than other layers. In addition, various insulating and conductive (eg, metal) materials may be applied which are different from those explicitly described herein, which are well understood by those skilled in the art.
따라서, 본 명세서에서 개시된 본 발명의 예시적인 실시예들 뿐만 아니라 이들의 다양한 변형예들 및 특징들은 많은 특이성(specificity)을 제공하며, 이들 가능한 상세 내용들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 이해되어서는 않된다. 그리고 해당 기술분야의 당업자라면, 본 발명의 범위를 벗어나는 일 없이 또한 부수된 장점들을 감소시키는 일 없이도, 본 발명은 많은 수정예들, 적용예들, 변형예들 및 균등한 구현예들을 가질 수 있음을 능히 이해할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어들 및 표현들은, 제한을 위한 용어가 아니라 설명을 위한 용어로서 사용되었음을 유의해야 한다. 상기 용어들 또는 표현들은, 본 명세서에서 개시되고 설명된 본 발명의 특질들의 임의의 등가물들을 배제하기 위해서 사용된 것이 아니다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시예들에 제한되도록 의도된 것이 아니며 청구항들에 따라 정의되어야만 하는바, 청구항들은 본 가출원의 이익을 주장하는, 가출원이 아닌 임의의 출원들에서 제공될 것이다. Accordingly, the illustrative embodiments of the invention disclosed herein, as well as the various modifications and features thereof, provide a number of specificities, and these possible details are to be understood as limiting the scope of the invention. No. And those skilled in the art can have many modifications, applications, variations and equivalent implementations without departing from the scope of the present invention and without diminishing its attendant advantages. Will understand. In addition, it is to be noted that the terms and expressions used herein are used as the terminology of description rather than the term of limitation. The above terms or expressions are not used to exclude any equivalents of the features of the invention disclosed and described herein. Accordingly, the invention is not intended to be limited to the disclosed embodiments and should be defined in accordance with the claims, which will be provided in any application that is not a provisional application, claiming the benefit of this provisional application.
본 발명은 종래기술에 비하여 다수의 장점들을 제공한다. 본 발명은, 개별 전자들 및 광자들을 기록 및 카운팅하기 위한, 필요한 것이 구비된(self-contained) 고도로 민감한 장치를 용이하게 한다. 본 발명은 단일 채널 및 다중-채널 디바이스에 적용가능하다. 특히, 본 발명은 높은 증폭 계수, 낮은 잡음 및 빠른 응답속도를 갖는 검출기의 제조를 가능케한다. 첨부된 도면들이 함께 발명의 상세한 설명에 비추어서 본 발명이 고려될 때에 본 발명의 추가적인 양상들, 피쳐들, 및 장점들이 이해될 것이며 좀더 쉽게 명백해질 것이다. The present invention provides a number of advantages over the prior art. The present invention facilitates a highly sensitive device that is self-contained for recording and counting individual electrons and photons. The present invention is applicable to single channel and multi-channel devices. In particular, the present invention enables the fabrication of detectors with high amplification coefficients, low noise and fast response speeds. Additional aspects, features, and advantages of the present invention will be understood and will become more readily apparent when the present invention is considered in light of the detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
도 1A 내지 도 1C는, 역-바이어스 방향 애벌랜치를 갖는 애벌랜치 증폭 구조를 포함하고 있는 본 발명의 여러개의 예시적인 실시예들에 대한 도식적인 단면도로서, 전극들, 애벌랜치 영역, 정량화기, 축적기, 조절기, 기판 및 선택적인 신호 전송층의 위치적인 관계를 나타내고 있다. 1A-1C are schematic cross-sectional views of several exemplary embodiments of the present invention including an avalanche amplifying structure having a reverse-bias directional avalanche, including electrodes, avalanche regions, quantifiers, accumulators, The positional relationship of the regulator, the substrate and the optional signal transfer layer is shown.
도 2A는 도 1A의 구조에 대응하는 일련의 물질층들을 도시한 도면이다. FIG. 2A shows a series of material layers corresponding to the structure of FIG. 1A.
도 2B 내지 도 2C는, 증폭기의 다양한 동작 조건들 동안에 도 2A에 도시된 물질층 구조에 대응하는 에너지 밴드를 도시한 도면이다.2B-2C show energy bands corresponding to the material layer structure shown in FIG. 2A during various operating conditions of the amplifier.
도 2D는 도 1A에 도시된 애벌랜치 증폭 구조의 기능적 구성요소들을 도시한 도면이다. FIG. 2D illustrates the functional components of the avalanche amplifying structure shown in FIG. 1A.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 정공 축적기 및 전자 축적기 둘다를 구비한 역-바이어스 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.3 is a cross-sectional view of an anti-bias avalanche amplifying structure having both a hole accumulator and an electron accumulator, in accordance with an embodiment of the invention.
도 4는 도 3에 도시된 애벌랜치 증폭 구조의 기능적 구성요소들을 도시한 도면이다. 4 is a diagram illustrating functional components of the avalanche amplifying structure shown in FIG. 3.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 정공, 전자 축적기, 및 정공들을 위한 매립 채널을 구비한 역-바이어스 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.5 is a cross-sectional view of an inverse bias avalanche amplifying structure having holes, electron accumulators, and buried channels for holes, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 6A 내지 도 6B는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 2개의 역-바이어스 애벌랜치 증폭 구조들의 단면을 도시한 도면이다.6A-6B are cross-sectional views of two inverse bias avalanche amplifying structures, in accordance with an embodiment of the invention.
도 7A 내지 도 7C는 정상 방향 애벌랜치를 갖는 애벌랜치 증폭 구조를 포함하고 있는 본 발명의 여러개의 예시적인 실시예들에 대한 도식적인 단면도로서, 전극들, 애벌랜치 영역, 정량화기, 축적기, 조절기, 기판 및 선택적인 신호 전송층의 위치적인 관계를 나타내고 있다. 7A-7C are schematic cross-sectional views of several exemplary embodiments of the present invention including an avalanche amplifying structure having a normal direction avalanche, including electrodes, avalanche regions, quantifiers, accumulators, regulators, substrates. And the positional relationship of the optional signal transport layer.
도 8A는 도 7A의 구조에 대응하는 일련의 물질층들을 도시한 도면이다.FIG. 8A shows a series of material layers corresponding to the structure of FIG. 7A.
도 8B 내지 도 8C는 증폭기의 다양한 동작 조건들 동안에 도 8A에 도시된 물질층 구조에 대응하는 에너지 밴드를 도시한 도면이다.8B-8C show energy bands corresponding to the material layer structure shown in FIG. 8A during various operating conditions of the amplifier.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 링 가드 영역을 구비한 정상 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 9 illustrates a cross section of a normal direction avalanche amplifying structure having a ring guard region, in accordance with an embodiment of the invention.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 높은 전계 임플란트를 구비한 정상 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.10 is a cross-sectional view of a normal direction avalanche amplifying structure with a high field implant, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 후면 조명(backside illumination)을 구비한 정상 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 11 illustrates a cross section of a normal direction avalanche amplifying structure with backside illumination, in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 높은 전계 임플란트 및 정공 축적기를 구비한 정상 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.12 is a cross-sectional view of a normal direction avalanche amplifying structure with a high field implant and hole accumulator, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 13은 도 12에 도시된 정상 방향 애벌랜치 증폭 구조의 기능적 구성요소들을 도시한 도면이다.FIG. 13 illustrates functional components of the normal direction avalanche amplifying structure shown in FIG. 12.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 링 가드 및 정공 축적기를 구비한 정상 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.14 is a cross-sectional view of a normal avalanche amplifying structure having a ring guard and a hole accumulator, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 15A 내지 도 15O는 가이거 모드에서 동작하며 측면 방향 애벌랜치를 갖는 애벌랜치 증폭 구조를 포함하고 있는 본 발명의 여러개의 예시적인 실시예들에 대한 도식적인 단면도로서, 전극들, 애벌랜치 영역, 정량화기, 축적기, 조절기, 기판 및 선택적인 유전층, 신호 전송층, 차단층, 컨택 영역, 및 제 3 전극의 위치적인 관계를 나타내고 있다. 15A-15O are schematic cross-sectional views of several exemplary embodiments of the present invention including an avalanche amplifying structure operating in Geiger mode and having a lateral avalanche, wherein electrodes, avalanche regions, quantifiers, accumulations Positional relationship between the device, the regulator, the substrate and the optional dielectric layer, the signal transmission layer, the blocking layer, the contact region, and the third electrode.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.16 illustrates a cross-section of a lateral avalanche amplifying structure, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 17은 도 16에 도시된 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 기능적 구성요소들을 도시한 도면이다.FIG. 17 illustrates functional components of the lateral avalanche amplifying structure shown in FIG. 16.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라서, InGaAsP 를 포함하는 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.18 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure including InGaAsP according to an embodiment of the present invention.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 디바이스의 일측을 따라서 정렬된 한쌍의 전극들을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.19 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure having a pair of electrodes aligned along one side of the device, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 3개의 전극들을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.20 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure having three electrodes, according to an embodiment of the present invention.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 디바이스의 일측을 따라서 정렬된 하나의 큰 전극을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.21 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure with one large electrode aligned along one side of the device, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 블록킹 층을 구비한 측면 방향 애벌 랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 22 illustrates a cross section of a lateral avalanche amplifying structure with a blocking layer, in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 매립 채널 및 디바이스의 상부 측면을 따른 하나의 큰 전극을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 23 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure having a buried channel and one large electrode along the upper side of the device, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 매립 채널 및 3개의 전극들을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.24 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure having a buried channel and three electrodes, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 정공 축적기 및 디바이스의 상부 측면을 따른 하나의 큰 전극을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.25 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure with a hole accumulator and one large electrode along the upper side of the device, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 매립 채널, 정공 축적기 및 3개의 전극들을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 26 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure having a buried channel, a hole accumulator and three electrodes, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 정공 축적기 및 디바이스의 주위에 대향적으로 배치된 한쌍의 전극들을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 27 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure having a hole accumulator and a pair of electrodes disposed opposingly around the device, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 28A 내지 도 28B는, 정상 방향 애벌랜치, MIS-기반의 드레인 및 3개의 전극들을 갖는 애벌랜치 증폭 구조를 포함하여 이루어진 본 발명의 2개의 예시적인 실시예들에 대한 도식적인 단면도로서, 전극들, 애벌랜치 영역, 정량화기, 축적기, 조절기, 기판 및 유전층의 위치적인 관계를 나타내고 있다. 28A-28B are schematic cross-sectional views of two exemplary embodiments of the present invention, including an avalanche amplifying structure having a normal direction avalanche, a MIS-based drain, and three electrodes, with electrodes, avalanches, FIGS. The positional relationship between regions, quantifiers, accumulators, regulators, substrates and dielectric layers is shown.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 정상 방향 애벌랜치, MIS-기반의 드레인 및 3개의 전극들을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도 면이다.FIG. 29 illustrates a cross-section of a lateral avalanche amplifying structure with a normal avalanche, a MIS-based drain, and three electrodes, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 30A는 도 29의 구조에 대응하는 일련의 물질층들을 도시한 도면이다.30A shows a series of material layers corresponding to the structure of FIG. 29.
도 30B 내지 도 30C는 증폭기의 다양한 동작 조건들 동안에 도 30A에 도시된 물질층 구조에 대응하는 에너지 밴드를 도시한 도면이다.30B-30C illustrate energy bands corresponding to the material layer structure shown in FIG. 30A during various operating conditions of the amplifier.
도 30D는 도 29에 도시된 애벌랜치 증폭 구조의 기능적 구성요소들을 도시한 도면이다.FIG. 30D illustrates functional components of the avalanche amplifying structure shown in FIG. 29.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 정상 방향 애벌랜치, MIS-기반의 드레인 및 3개의 전극들을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 31 is a cross-sectional view of a lateral avalanche amplifying structure with a normal avalanche, a MIS-based drain and three electrodes, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 32A는 도 31의 구조에 대응하는 일련의 물질층들을 도시한 도면이다.FIG. 32A shows a series of material layers corresponding to the structure of FIG. 31.
도 32B 내지 도 32C는 증폭기의 다양한 동작 조건들 동안에 도 32A에 도시된 물질층 구조에 대응하는 에너지 밴드를 도시한 도면이다.32B-32C illustrate energy bands corresponding to the material layer structure shown in FIG. 32A during various operating conditions of the amplifier.
도 32D는 도 31에 도시된 애벌랜치 증폭 구조의 기능적 구성요소들을 도시한 도면이다.FIG. 32D shows functional components of the avalanche amplifying structure shown in FIG. 31.
도 33은 측면 방향 애벌랜치 및 정공 축적기를 갖는 애벌랜치 증폭 구조를 포함하여 이루어진 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 도식적인 단면도로서, 전극들, 애벌랜치 영역, 정량화기, 축적기, 조절기, 기판, 유전층 및 신호 전송층의 위치적인 관계를 나타내고 있다. 33 is a schematic cross-sectional view of an exemplary embodiment of the present invention including an avalanche amplifying structure having a lateral avalanche and a hole accumulator, including electrodes, avalanche regions, quantifiers, accumulators, regulators, substrates, dielectric layers and The positional relationship of the signal transport layer is shown.
도 34는 도 33에 도시된 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조로 구성된 예시적인 다중채널 디바이스의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 34 is a cross-sectional view of an exemplary multichannel device configured with the lateral avalanche amplifying structure shown in FIG. 33.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 도 33에 도시된 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조로 구성된 도 34의 다중 채널 디바이스의 단면을 도시한 도면이다.35 is a cross-sectional view of the multi-channel device of FIG. 34 configured with the lateral avalanche amplifying structure shown in FIG. 33, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따라서 도 37에 도시된 다중 채널 디바이스의 평면도이다.36 is a top view of the multi-channel device shown in FIG. 37 in accordance with an embodiment of the present invention.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따라서 하나의 전극을 구비한 다중 채널 디바이스의 평면도이다.37 is a top view of a multi-channel device with one electrode in accordance with one embodiment of the present invention.
도 38A 내지 도 38B는 본 발명의 다수 실시예들에 따라서, 다수의 예시적인 다중 채널 디바이스들의 단면을 도시한 도면이다. 38A-38B are cross-sectional views of a number of exemplary multi-channel devices, in accordance with multiple embodiments of the present invention.
본 출원은, "High Sensitivity, High Resolution detector Device and Arrays" 라는 명칭인 2005년 6월 10일자로 출원된 미국 가출원(60/689,417) 및 2005년 6월 17일자로 출원된 미국 가출원(60/691,931)에 기반하며 그 우선권을 주장하는바, 이들 출원들의 내용은 참조로서 그 전체가 본 명세서에 통합된다. This application is directed to U.S. Provisional Application (60 / 689,417) filed June 10, 2005, entitled "High Sensitivity, High Resolution detector Device and Arrays" and U.S. Provisional Application (60 / 691,931) filed June 17, 2005. And claims priority, the contents of these applications are incorporated herein by reference in their entirety.
바람직하게, 본 명세서에서 사용된 참조번호들은 미국특허 US 6,885,827 및 2005년 3월 14일자로 출원된 미국출원(11/080,019)에서 사용된 참조번호들에 대응하며, 이들 미국특허 및 미국출원 둘다는 "High Sensitivity, High Resolution Detection of Signals" 라는 발명의 명칭을 갖는다. 이들 각각은 본 출원과 동일한 발명적 엔티티를 가지며, 이들의 출원인은 본 출원의 출원인과 동일하다. 또한, 이들 미국특허 및 미국출원은 본 발명에 대한 참조로서 그 전체가 본 명세서에 통합된다. Preferably, the reference numbers used herein correspond to those used in US Pat. No. 6,885,827 and US application (11 / 080,019) filed March 14, 2005, both of which are US patents and US applications. It is named "High Sensitivity, High Resolution Detection of Signals". Each of these has the same inventive entity as the present application, the applicant of which is the same as the applicant of the present application. In addition, these US patents and US applications are hereby incorporated by reference in their entirety.
아래의 상세설명은 단일채널 디바이스들을 포함하는바, 이는 (1) 정상 정량화기, 역 바이어스 디자인, (2) 정상 정량화기, 정상 바이어스 디자인, (3) 측면 정량화기, 정상 바이어스 디자인, (4) 변경가능한 정량화기, 정상 바이어스 디자인으로서 식별된다. 본 명세서에서 기술되고 청구되는 디자인들은 매우 다양한 어레이 구성으로 배열될 수도 있는바, 이들 어레이 구성들은 무궁무진한 어레이 디자인들을 제공할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들은, 적어도 하나의 전극에 충돌하고 있는(impinging) 빛(26)과 함께 도시되었다. 일반적으로 낮은 도핑(low doping)은 1015 ㎝-3 보다 작은 것을 의미하며, 강한 도핑 또는 높은 도핑은 1017 ㎝-3 보다 큰 것을 의미한다. 본 명세서에서 설명된 디바이스는 해당 기술분야에서 널리 이해된 방법들을 통해 제조될 수 있다. The details below include single channel devices, which include (1) normal quantifier, reverse bias design, (2) normal quantifier, normal bias design, (3) side quantifier, normal bias design, and (4) Changeable quantifier, identified as a normal bias design. The designs described and claimed herein may be arranged in a wide variety of array configurations, which can provide endless array designs. Various embodiments of the invention have been shown with light 26 impinging on at least one electrode. Generally low doping means less than 10 15 cm -3 , and strong doping or high doping means more than 10 17 cm -3 . The device described herein may be manufactured through methods well understood in the art.
본 발명의 배경으로서, 조절기의 기능은 애벌랜치층과 비교해 볼때 그것의 더 높은 임피던스에 의해 제공된다. 상기 고 임피던스는, USPN 6,885,827 에 서술된 다양한 방법으로 얻어질 수 있는바, 이는 낮은 도핑 레벨, 캐리어에 대해 낮은 이동도를 갖는 물질, 또는 특별한 처리에 의해서 인위적으로 감소된 이동도를 갖는 물질을 포함한다. 조절기층 및 인접한 층들 사이의 전위 장벽들은 또한, 원하는 임피던스를 얻기 위해 사용된다. 장벽 높이는 조절기 및 인접 층들에서의 도핑에 의해서 조절된다. 만일 인접 층이 금속이라면, 상기 장벽음 그 일함수에 의해서 조절될 수도 있다. As a background of the present invention, the function of the regulator is provided by its higher impedance as compared to the avalanche layer. The high impedance can be obtained by the various methods described in US Pat. No. 6,885,827, which include low doping levels, materials with low mobility to carriers, or materials with artificially reduced mobility by special treatments. do. Potential barriers between the regulator layer and adjacent layers are also used to achieve the desired impedance. Barrier height is controlled by doping in the regulator and adjacent layers. If the adjacent layer is a metal, the barrier sound may be controlled by its work function.
조절기는 정량화기의 전위를 조정 또는 조절하도록 기능하며, 이후 상기 전 위를 전기장으로 전달하는바, 따라서 임계 증폭기를 턴온 또는 턴 오프 상태로 스위칭하며, 축적된 전하를 축적기로부터 배출하는바, 이는 축적기를 그 초기상태로 되돌리기 위함이다. The regulator functions to adjust or regulate the potential of the quantifier, which then transfers the potential to the electric field, thus switching the threshold amplifier on or off, and discharging the accumulated charge from the accumulator. This is to return the accumulator to its initial state.
임피던스의 높은 허수부(imaging part)(전류 위상을 전압 위상에 비해서 이동시키는 인덕턴스 소자때문임)는 조절기의 원하는 기능을 제공하는바, 이는 상기 조절기가 신호 캐리어가 증식되는 짧은 시간 동안에 매우 낮은 전도성을 가짐을 의미하며, 따라서 생성된 모든 전하는 거의 배출되는 일 없이 효율적으로 축적된다. 다른 한편으로, 짧은 시간(지연) 이후에, 컨덕턴스는 높아지게 되는바(임피던스의 실수부와 대등하게), 축적된 전하가 배출되어 그 초기 상태로 빠르게 복귀하는 것을 허용한다.The high imaginary part of the impedance (because of the inductance element that shifts the current phase relative to the voltage phase) provides the regulator's desired function, which provides very low conductivity during the short time that the signal carrier propagates. And therefore all the generated charges accumulate efficiently with little emissions. On the other hand, after a short time (delay), the conductance becomes high (equivalent to the real part of the impedance), allowing the accumulated charge to be discharged and quickly return to its initial state.
임피던스의 높은 허수부는, 물질의 특성들(캐리어의 낮은 이동도)에 의해서 제공되거나 또는 조절기와 인접층 사이의 전위 장벽의 존재로 인해서 제공된다. 물질의 특성들은 인가된 전압에 비하여 전류가 지연되게 한다. 낮은 이동도는 이온주입(및 다른 특별한 처리)에 의해서 성취될 수도 있으며 또는 물질 자체의 특성일 수도 있다. 상기 장벽은, 축적된 전하(예컨대, 전자들)가 축적기로부터 조절기로 즉시 흘러가는 것을 방지하며, 조절기의 다른 일측에는 다른 타입의 캐리어들(예컨대, 정공)에 대한 제 2 장벽이 있다.The high imaginary part of the impedance is provided by the properties of the material (low mobility of the carrier) or by the presence of a potential barrier between the regulator and the adjacent layer. The properties of the material cause the current to be delayed relative to the applied voltage. Low mobility may be achieved by ion implantation (and other special treatments) or may be a property of the material itself. The barrier prevents accumulated charge (eg electrons) from flowing from the accumulator to the regulator immediately, and on the other side of the regulator there is a second barrier to other types of carriers (eg holes).
단일 채널 Single channel 디바이스device - 정상 정량화기, 역 바이어스 Normal quantifier, reverse bias
도 1A를 참조하면, 역 바이어스 공급 전압으로 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 증폭 구조(1)의 일 실시예에 대한 단일 채널 소자가 도시되어 있다. 일반적 으로 애벌랜치 증폭 구조(1)는 제 1 전극(2), 애벌랜치 영역(3), 정량화기(4), 축적기(5), 조절기(6), 기판(7) 및 제 2 전극(8)을 포함하는 평면 구조인바, 이들은 설명된 순서대로 배열 및 접촉하고 있다. 애벌랜치 영역(3)은, 강하게 도핑된 기판(7)과는 반대인 컨덕턴스를 갖는 다수의 반도체 층들을 포함한다. 조절기(6)는 약하게 도핑된 반도체 물질인바, 따라서 상기 축적기(5) 및 애벌랜치 영역(3) 사이의 인터페이스에서 정량화기(4)가 제공된다. 이와 유사하게, 축적기(5)는 조절기(6) 및 애벌랜치 영역(3) 사이에서 제공된다. 1A, a single channel device is shown for one embodiment of an
이제, 도 1B를 참조하면, 가이거 모드에서 동작하는 역 바이어스 애벌랜치 증폭 구조(1)의 대안적인 실시예가 도시되어 있는바, 이는 순서대로 제 1 전극(2), 조절기(6), 축적기(5), 애벌랜치 영역(3), 정량화기(4), 기판(7) 및 제 2 전극(8)을 포함한다. 애벌랜치 영역(3)은, 강하게 도핑된 기판(7)과는 반대인 컨덕턴스를 갖는 다수의 반도체 층들을 포함한다. 상기 기판(7) 및 애벌랜치 영역(3) 사이의 인터페이스에서 정량화기(4)가 제공된다. 축적기(5)는 조절기(6) 및 애벌랜치 영역(3) 사이의 인터페이스에서 제공된다. Referring now to FIG. 1B, an alternative embodiment of a reverse bias
이제, 도 1C를 참조하면, 가이거 모드에서 동작하는 역 바이어스 애벌랜치 증폭 구조(1)의 또 다른 대안적인 실시예가 도시되어 있는바, 여기서는 도 1A에 도시된 제 1 전극(2) 및 애벌랜치 영역(3) 사이에 신호 전송층(27)이 제공된다. 정량화기(4)는 상기 축적기(5) 및 애벌랜치 영역(3) 사이의 인터페이스에서 제공된다.Referring now to FIG. 1C, another alternative embodiment of a reverse bias
도 1A 내지 도 1C에 도시된 애벌랜치 영역(3), 정량화기(4), 축적기(5), 조절기(6), 기판(7) 및 신호 전송층(27)으로는 다양한 물질들이 적용가능하다. 예를 들어, 각각의 층은 동일한 또는 상이한 반도체 물질들로 구성될 수도 있는바, 일례로서는 Si, SiC, GaN, GaAs, 및 GaP 를 포함하며, 이들은 원하는 전기적 특성들을 제공하기 위해서 적절히 도핑될 수도 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 조절기(6)는 다른 층들보다 더 넓은 밴드 갭을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 신호 전송층(27)은 다른 층들보다 더 좁은 밴드 갭을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제 1 전극(2) 및/또는 제 2 전극(8)은 전도성 금속으로 구성되거나 또는 광투과성 및 전도성 물질로 구성될 수도 있는바, 예를 들면 투명한 ITO 및 Al 도핑된 ZnO(Al-doped-ZnO)를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 또한, 애벌랜치 영역(3), 정량화기(4), 축적기(5), 조절기(6), 기판(7) 및 신호 전송층(27)은, 비도핑된 및 도핑된 또 다른 반도체 물질들을 포함하거나 또는 포함하지 않는, 박막형 구조를 형성하도록 배치된 두개 또는 그 이상의 층들을 포함할 수도 있다. 층들 및 디바이스들은 평면형 및 비평면형 형상을 가질 수도 있다. 이와 유사하게, 상기 단면도들은 평면형 구조 및/또는 직경방향으로 확장된 구조를 나타낼 수도 있다. SiO2 층은 동등한 다른 물질들로 구성될 수도 있다. Various materials are applicable to the
이제, 도 2A를 참조하면, 도 1A에 도시된 애벌랜치 증폭 구조(1)의 예시적인 일 실시예에 상응하는 일련의 물질층들이 도시되어 있다. 이러한 디바이스는 투명 전극(105), p-Si 층(100), n+-Si 층(102), i-Si 층(110), n+-Si 층(109) 및 전극(106)을 포함한다. 전극(106)은 금속인 것이 바람직하며, 양의 전압 Usup 를 갖는 공급 전원에 전기적으로 연결되어 있으며, 투명 전극(105)은 접지에 전기적으로 연결되어 있다. Referring now to FIG. 2A, a series of material layers is shown corresponding to one exemplary embodiment of the
이제, 도 2B 내지 도 2C를 참조하면, 도 2A에서 도시된 디바이스의 기능을 설명하기 위한 밴드 다이어그램이 제공된다. 도 2B는 신호 캐리어가 출현하기 전인, 디바이스의 초기 상태를 나타내고 있는바, 전극(106)에는 양의 전압 Usup 가 인가되며, n+-Si 층(109)은 전극(106)의 전위를 가지며, 강하게 도핑된 n+-Si 층(102)은 방전되고, 플로팅된 전극으로서 동작하여 n+-Si 층(109)과 거의 동일한 전위를 획득한다. 이러한 일례에서, 거의 모든 전압이 p-Si 층(100)에 인가된다. p-Si 층(100)에서의 전압 강하(Uamp)가, 온 상태에서의 애벌랜치 브레이크다운 값을 초과할 수 있도록, 상기 전압은 충분해야만 한다. 이러한 일례에서, p-Si 층(100)은 애벌랜치 임계 증폭기 또는 가이거 모드 증폭기이다. 도 2B를 참조하면, 증폭기에 인가된 전압(Uamp)은 Usup - Ur과 대등하며, 여기서 Ur 은 i-Si층(110)에서의 작은 전압 강하로부터 기인된다. 만일, Ur 이 처음부터 너무 높다면, 이것은 시간이 흐르면 감소될 것인바, 이는, 도 2B에 도시된 전위 장벽을 넘어서 n+-Si 층(102)으로부터 n+-Si 층(109)으로 가는 전자들에 관련된, 방전 전류 또는 전계-강화된 열방출(field-enhanced thermoemission) 때문이다. i-Si 층(110)은 i-타입, 약하된 도핑된 p-타입 또는 약하게 도핑된 n-타입 반도체 물질로 구성될 수 있다. i-Si 층(110)의 도핑은, 조절기 및 인접 층들 사이의 전위 장벽 높이를 조절한다. 도 1A의 축적기에 대응하는 n+-Si 층(102)은, p-Si 층(100)으로부터의 충전 전류가 없는 경우에는 방전하는바, 그 전위가 전극(106)의 전위와 거의 대등해질 때까지 방전한다. Referring now to FIGS. 2B-2C, a band diagram is provided to illustrate the functionality of the device shown in FIG. 2A. FIG. 2B shows the initial state of the device, before the appearance of the signal carrier, where a positive voltage U sup is applied to the
이제, 도 2C를 참조하면, p-Si 층(100)의 고전계 영역내에서 자유 캐리어(전자)가 출현한 때에, 이는 구역 대 구역 충돌 이온화(zone-zone impact ionization)에 의해서 새로운 전자(62) 및 정공(64) 쌍을 생성하는, 과도 브레이크다운(over breakdown) 애벌랜치 증식을 개시한다. 애벌랜치 전자 전류는 시간에 따라서 빠르게 증가하며 n+-Si 층(102)으로부터 흘러 나가는(flow-out) 전류보다 더 커지게 된다. 그리고, p-Si 층(100) 내에서 생성된 전자들(62)은 축적기 또는 n+-Si 층(102)을 빠르게 충전한다. 이상과 같이 설명된 작용은, 증폭기 또는 p-Si 층(100) 내에서의 전압 강하를 감소시키며, 애벌랜치 프로세스를 턴 오프하는바, 따라서 상기 증폭기는 오프 상태로 전환된다.Referring now to FIG. 2C, when free carriers (electrons) appear in the high-field region of the p-
증폭기에서의 전압 강하는, i-Si 층(110) 또는 조절기(6)에서의 전압 상승과 관련되며, 증폭기 및 조절기(6) 사이에서 공급된 전압의 재분배(redistribution)를 야기한다. 조절기(6)는 축적기(5)의 방전에서 지연을 유도하는바, 애벌랜치 전류에 관하여 전류 위상을 시간에 맞게 천이(shift) 시킨다. 이러한 지연은, 증폭기 내에서 애벌랜치 프로세스를 종료시키기에 충분하다.The voltage drop in the amplifier is related to the voltage rise in the i-
이론에 의해 국한되도록 의도된 것은 아니지만, 상기 방전 지연은, 조절기(6)의 디자인 및 특성들 뿐만 아니라, 디바이스의 상태에 의존하는 하나 이상의 물리적 원인(cause)들을 가질 수도 있다. 예를 들면, 초기에 전압 Ur 이 낮을 때에, 열방출 또는 방전 전류는, 애벌랜치 또는 축적기(5)로의 충전전류에 비하면 작다. Ur 이 증가하면, 주요한(dominant) 원인은, 공간 전하 효과(space charge effect)로 인한 유출(out-flow) 전류의 자기-제한(self-limitation), 시간 조절기(6)를 통과하는 자유 캐리어들의 유한한(finite) 시간, 증폭기 내의 캐리어들에 비하여 더 낮은 조절기(6) 내의 캐리어들의 이동도 또는 다른 물리적인 매커니즘들을 포함하는바, 이는 전류 방전을 제한하거나 또는 애벌랜치 전류에 비하여 그것의 위상을 천이시킨다. 증폭기를 오프 상태로 전환시키기에 충분한 최소 지연 시간은, 디바이스 디자인 및 원하는 이득에 의존하여, 약 10-400 피코세컨드(picosecond)의 범위일 거라고 평가되는바, 따라서 이는 하나의 신호 캐리어에 응답하여 축적기(5) 내에 축적되는 기본적인(elementary) 전하들의 개수를 나타낸다.Although not intended to be limited by theory, the discharge delay may have one or more physical causes depending on the design and characteristics of the
증폭기가 오프 상태로 전환된 이후에, 축적기(5)로의 충전 전류는 0 이 되며, 상기 축적기(5)는 조절기(6)를 통해서 방전하며, 증폭기는 다시 온(on) 상태로 복귀한다. 그리고 상기 디바이스는 도 2B에 도시된 초기 상태로 되돌아간다.After the amplifier is turned off, the charge current to the
축적기(5) 내에 축적된 애벌랜치 증식 전하로부터의 결과는, i-Si 층(110)(용량성 판독기 : capacitive reader)에 의해 나뉘어진 강하게 도핑된 n+-Si 층(102) 및 n+-Si 층(109)의 상호 캐패시턴스를 통해서 판독될 수도 있으며, 또는 조절기(6) 또는 전류 판독기를 통하는 축적기(5) 방전 전류를 검출함으로써 판독될 수도 있다. 이러한 2개의 판독 접근법들 모두는, 전극(106) 내에서의 전하의 출현을 이끄는바, 이는 축적기(5) 내에 축적된 전하에 대응한다. The result from the avalanche proliferation charge accumulated in the
이제, 도 2D를 참조하면, 도 2A의 디바이스의 대응 물리적인 표현과 관련하여 이산 증폭기의 기능적 구성이 도시되어 있다. 상기 기능적 구성은, 전송기(9), 임계 증폭기(10), 정량화기(11), 축적기(12), 조절기(13) 및 판독기(14)를 포함한다. Referring now to FIG. 2D, a functional configuration of a discrete amplifier is shown with respect to the corresponding physical representation of the device of FIG. 2A. The functional configuration comprises a
전송기(9)는 p-Si 층(100)의 일부에 대응하는바, 여기서 전계는 0 이 아니다. 자유 전자들은 전송기(9) 내에서 충돌하며, 임계 증폭기(10)의 입력으로 전달된다. The
임계 증폭기(10)는 p-Si 층(100)의 일부에 대응하는바, 여기서 전계는 온(on) 상태에서 충돌 이온화를 발생시키기에 충분하다. p-Si 층(100) 내에서의 전압 강하는 브레이크다운 전압을 초과하는바, 따라서 임계 증폭기(10)가 가이거 모드에서 동작하는 것을 가능케 한다. The
정량화기(11)는 p-Si 층(100) 및 n+-Si 층(102) 사이의 인터페이스에 대응한다. 정량화기의 전위는 임계 증폭기(10)에서의 애벌랜치 프로세스(전계 강도)를 조절한다. 평면형(planar) 정량화기(11)에 대해서는, 전달 상수(transfer constant)는 1과 같다. 비평면형(non-planar) 디자인에 대해서는, 디자인의 곡률에 기초하여 1 보다 큰 전달 상수들이 가능하며, 이러한 디자인의 곡률은 전계 집중을 야기하는바, 따라서 동일한 전위에 대해서 최대 전계가 더 높아지게 된다. 정량화기(11)는 축적기(12) 전위를 전계강도로 전달하도록 기능하는바, 전계 강도는 애벌랜치 세기를 정의한다. 전달 상수는 전위의 증가에 대한 전계강도의 증가 또는 반응으로서 정의될 수도 있다. The
축적기(12)는 n+-Si 층(102) 내에서 도시되는바, 이는 임계 증폭기(10)로부터의 전류를 축적하며 정량화기(11)의 전위를 조절한다. The
조절기(13)는 i-Si 층(100) 내에서 도시되는바, 이는 축적기()로부터의 방전전류를 조절하고, 방전을 지연시켜 임계 증폭기를 오프 상태로 전환시키고, 뿐만 아니라 전하 캐리어의 증폭이후에 상기 디바이스를 그 초기 상태로 되돌린다. The
용량성 변수(capacitive variant)인 판독기(14)는, n+-Si 층(102), i-Si 층(110), 및 n+-Si 층(109)을 포함하는 전기용량(capacity)을 갖는다. 축적기(12) 내에 축적된 전하는, n+-Si 층(109) 및 이와 전기적으로 결합된 제 2 전극(106)에서 반대 부호의 전하의 출현을 유도한다. The
도 2B 내지 도 2C의 밴드 다이어그램은, 또한 제 1 전극(105)에 가까운 공핍되지 않은 영역(un-depleted region)을 갖는 p-Si 층(100)을 도시한다. 전형적인 p-Si 층(100)은 5-6 ㎛의 폭을 가지며, 4 Ohm-cm 의 저항을 갖는다. 대안적인 실시예에서는, p-Si 층(100) 및 제 1 전극(105) 사이의 인터페이스에 전계가 도달하도록, p-Si 층(100)의 폭이 공핍영역의 폭보다 작을 수도 있는바, 따라서 상기 인터페이스에 가까운 빛에 의해 생성된 포토캐리어들이 좀더 효율적으로 축적되게 한 다. 몇몇 실시예에서는, 전계가 상기 인터페이스에 도달하는 때에는, 전극(105)으로부터 p-Si 층(100)으로 전자가 주입되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 전극(105)은 전자들에 대한 쇼트키 장벽(Shottky barrier)을 가질 수 있으며, 또는 전극(105) 및 p-Si 층(100) 사이에 위치한 p+ 영역을 가질 수도 있다. The band diagrams of FIGS. 2B-2C also show a p-
상기 설명으로부터, 본 발명은, 종래에 알려져있는 액티브 퀀칭 및 패시브 퀀칭 모두와 다른 디바이스 내에 통합되는 새로운 내부 퀀칭 방식을 이용하여, 가이거 카운터로서 동작할 수 있다는 것을 알 수 있다. 액티브 퀀칭은 상기 설명한 기능에 의해 제공되지 않는 외부 또는 통합된 액티브 전자 요소들을 필요로 한다. 패시브 퀀칭은 상기 설명한 기능에 의해 제공되지 않는 저항기 또는 저항성층을 요구한다. From the above description, it can be seen that the present invention can operate as a Geiger counter using a new internal quenching scheme that is integrated into other devices, as well as both active and passive quenching as is known in the art. Active quenching requires external or integrated active electronic elements that are not provided by the functionality described above. Passive quenching requires a resistor or resistive layer that is not provided by the functions described above.
도 3, 5 및 6A-6B는 예시적인 디바이스들의 특정의 실시예들을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 대한, 정공 축적기와 전자 축적기를 모두 갖는 역 바이어스 애벌랜치 증폭 구조(1)를 나타낸다. 이러한 디바이스는 투명 전극(105), 세그먼트화된 SiO2 층(107)(절연기), p+-Si 영역들(과 도핑 영역들)(103), p-Si 영역(112), p-Si 층(100), p--Si 층(110), n+-Si 층(102), n+-Si 층(109) 및 전극(106)을 포함한다. p-Si 층(100)의 두께는 단파 감도를 증가시키기 위해 충분히 공핍될 수 있도록 충분히 작아야 한다. p-Si 층(100)의 바람직한 실시예들은 2-3 Ω-cm의 도핑 및 2.5-3의 두께를 포함한다. 이러한 디바이스에 대한 스펙트럼 범 위는 300-400nm이며(최단 파장은 전극(105) 물질에 의존한다), 최대 700-800nm이다. 최대 1060nm까지의 보다 긴 파장 스펙트럼 감도에 대해, p-Si 층(100)의 폭은 증가하고, 도핑 레벨은 감소한다. 3, 5 and 6A-6B show specific embodiments of example devices. Referring to FIG. 3, there is shown a reverse bias
투명 전극(105)으로부터 공핍된 p-Si 층(100)으로의 전자들의 주입을 막기 위해, 하나 이상의 p+-Si 영역들(103)이 포함된다. p-Si 층(100)이 충분히 공핍되지 않고, 전계가 투명 전극(105) 상에 이르지 않는 경우, p+-Si 영역들(103)은 반드시 필요하지 않지만, 일반적으로 이것은 단 파장들에 대해 매우 낮은 스펙트럼 감도를 제공함으로써, p-Si 층(100)의 상면 가까이에서 광 캐리어들을 발생시킨다. 이 영역이 공핍되지 않는 다면, 광 캐리어들은 재결합되어 유실된다. 결과적인 디바이스는 동작가능하기는 하지만, 최적은 아니다. 하지만, 전계가 투명 전극(105) 상에 이르는 경우(보다 최적의 변형), p+-Si 영역들(103)은 전자들의 주입을 차단할 것이 요구된다. 바람직한 실시예들에서, p-Si 층(100)은 2-4㎛의 두께 및 10Ω-cm의 고유 저항을 갖는다. One or more p + -
p-Si 영역(112)은 동일한 물질로 구성되는 것이 바람직하며, 동일한 활성 불순물 농도를 가지며, 그리고 p-Si 층(100)의 Si-SiO 인터페이스를 따라 측면 방향에서 정공들에 대한 보다 낮은 이동도를 갖는다. p-Si 영역(112)은 중성 불순물 농도, 조사(irradiation) 또는 n 도핑을 갖는 p에 의해 형성된다. The p-
도 4는 도 3의 실시예에 대한 기능적인 구성을 나타낸다. 도 2A의 디바이스와 달리, 도 3의 디바이스는 2개의 축적기들(12, 16) 및 2개의 조절기들(13, 17)을 포함하며, 이에 의해 해당하는 축적기들(12, 16)의 방전을 지연시킴으로써, 도 2A의 i-Si 층(110)에 대해 설명되는 바와 같이 전자 조절기로서 기능하고, p-Si 영역(112)에 해당하는 정공 조절기로서 기능한다. 4 shows a functional configuration of the embodiment of FIG. Unlike the device of FIG. 2A, the device of FIG. 3 comprises two
p-Si 층(100)에서의 애벌랜치가 자유 캐리어에 의해 시작될 때, 정공들(64)은 정공 축적기 또는 p-Si 영역(112) 내의 인터페이스에 축적됨으로써, 투명 전극(105)과 비교하여 p-Si 층(100)의 상면의 전위를 증가시킨다. 이러한 전위의 증가는 n+-Si 층(102) 위에서만 국부화된다. p-Si 층(100)에서의 전압 강하(Uamp)는, 축적된 양 전하가 p-Si 영역(103)에 흐른 다음, 투명 전극(105)에 흐를 때 까지 감소한다. 정공 조절기가 p--Si 층(110)과 동일한 방식으로 동작한다는 것을 쉽게 알 수 있다. 결과적인 지연 시간은 p-Si 영역(112)의 인터페이스를 따라 움직이는 정공들의 이동도에 의존한다. When the avalanche in the p-
도 4를 다시 참조하면, 전송기(9), 임계 증폭기(10) 및 정량화기(11)는 애벌랜치 프로세스를 조절하는 바, 이러한 애벌랜치 프로세스는 n+-Si 영역(102)과 p-Si 층(100) 간의 인터페이스에서 전하 전자 축적기(12)의 전위를 임계 증폭기(10)에 전달한다. 정량화기(17)는 n+-Si 영역(102) 윗쪽의 SiO2 층(107)과 Si 간의 인터페이스에서 정공 축적기 전위를 임계 증폭기(10)에 전달하고, 전자 축적기(12)는 n+-Si 영역(102) 내에 배치된다. 정공 축적기(16)는 n+-Si 영역(102) 윗쪽의 SiO2 층(107)과 Si 영역(112) 간의 인터페이스에 배치된다. 전자 조절기(13)는 축적된 전자 전하의 제거에 이어서 전자 축적기(12)의 방전을 지연시킨다. 정공 조절기(17)는, p-Si 영역(112), 전자 판독기(14) 및 정공 판독기(18)에 해당하는 축적된 정공 전하의 제거에 이어서 정공 축적기(17)의 방전을 지연시킨다. Referring back to FIG. 4, the
전계가 p-Si 영역(112)에 이르고, p-Si 층(100) 및 p-Si 영역(112)이 완전히 공핍될 때, 도 2D의 기능적인 구성은 도 4의 기능적인 구성으로 바뀐다. When the electric field reaches the p-
도 5는 도 4의 디바이스의 대안적인 실시예를 나타내는 바, 여기서 p-Si 영역(112)은 제거되고, 정공들을 위한 매립 채널(114)에 의해 대체되며, i-Si 영역(113)은 투명 전극(105)으로부터 p+-Si 영역(103)을 분리하기 위해 부가된다. 제 2 조절기는 제 1 또는 투명 전극(105)과 p+-Si 영역(103)(과 도핑된 영역들) 사이에 고 임피던스 반도체 물질로 구성되며, SiO2 층(107) 내에 캐비티 또는 개구를 가지며 존재한다. 제 2 축적기가 애벌랜치 영역과 상기 제 2 조절기 사이의 인터페이스에 형성된다. 매립 채널(114)은 바람직하게는 0.3㎛의 얇은 층이며, n-도핑되고, 종래에 알려져있는 방법들에 의해 제조된다. 매립 채널(114)은 그 채널의 인터페이스를 따라 정공들의 이동도를 개선한다. 매립 채널 내에서의 도핑 농도는 p-Si 층(100)에서 전계에 의해 충분히 공핍될 수 있도록 충분해야 한다. FIG. 5 shows an alternative embodiment of the device of FIG. 4 where p-
매립 채널(114)은 p-Si 층(100)에서 애벌랜치에 의해 발생되는 모든 정공들이 층을 따라 빠르게 움직이고, p+-Si 영역(103) 또는 정공 축적기 내에서 축적될 수 있게 보증한다. 결과적으로, p+-Si 영역(103)을 충전시킴으로써, 투명 전극(105)에 대해 자신의 전위를 증가시킨다. p+-Si 영역(103) 및 i-Si 영역(113)은 동일한 방식으로 동작한다. 결과는 i-Si 영역(113) 내에서의 전압 강하, 방전의 지연 및 임계 증폭기의 OFF 상태로의 스위칭이다. 이러한 디바이스에서의 정공 정량화기는 매립 채널(114)과 p-Si 층(100) 간의 인터페이스이다. The buried
p+-Si 영역(103)의 충전은 매립 채널(114) 정공들에 대한 전하가 축적되게 하고, 매립 채널(114) 내에서의 전위를 균일하게 증가시킴으로써, 이러한 매립 채널(114)이 정공 축적기의 캐패시턴스 내에 포함되게 한다. The filling of the p + -
도 6A-6B는 도 5의 디바이스에 대한 대안적인 실시예들을 나타낸다. 예를 들어, 도 6D에서, i-Si 영역(113)은 도 5로부터 제거된다. 반면에, 도 6B에서, p--Si 층(110)이 제거된다. 마찬가지로, 도 6A-6B의 디바이스들은 매립 채널(114)이 없이도 만들어질 수 있다. 6A-6B illustrate alternative embodiments for the device of FIG. 5. For example, in FIG. 6D, i-
단일 채널 Single channel 디바이스device - 전형적인 정량화기, 전형적인 바이어스 -Typical quantifier, typical bias
다양한 물질들이 도 7A-7B의 층들 및 영역들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 각 층은, 예를 들어 Si, SiC, GaN, GaAs 및 GaP를 포함하는 같은 또는 다른 반도체 물질들로 구성될 수 있는 바, 이러한 물질들은 원하는 전기 특성을 제공하기 위해 도핑된다. 다른 실시예들에서, 조절기(6)는 다른 층들 보다 넓은 밴드갭을 갖는 물질로 구성된다. 또 다른 실시예들에서, 신호 전송층(27)은 다른 층들 보다 좁은 밴 드갭을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 제 1 전극(2) 그리고/또는 제 2 전극(8)은, 예를 들어 투명한 ITO 및 Al-도핑된 AnO를 포함하는(하지만 이것들로 제한되지는 않는다) 광 전달 및 전도성 물질 또는 전도성 금속으로 구성될 수 있다. 또한, 층들 및 영역들은 또 다른 비도핑된 그리고 도핑된 반도체 물질들을 갖는 삽입부(inclusion)들 또는 영역들을 갖거나 갖지 않는 적층된 구조를 형성하도록 배열되는 2개 또는 그 이상의 층들을 포함할 수 있다. 층들 및 디바이스들은 평면 형상 및 비평면 형상을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 단면도들은 평면 그리고/또는 직경 한도의 구조들을 나타낸다. SiO2 층은 다른 동등한 물질들로 구성될 수 있다. Various materials can be applied to the layers and regions of FIGS. 7A-7B. For example, each layer may be composed of the same or other semiconductor materials, including for example Si, SiC, GaN, GaAs and GaP, which materials are doped to provide the desired electrical properties. In other embodiments, the
이제, 도 7A를 참조하면, 애벌랜치의 수직 방향으로 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 증폭 구조(1)의 일 실시예에 대한 단일 채널 요소가 나타나있다. 일반적으로, 애벌랜치 증폭 구조(1)는 제 1 전극(2), 축적기(5)로부터 전하를 배출시키고 정량화기(4)를 제어하는 조절기(6), 신호 전하를 축적하는 축적기(5), 애벌랜치 프로세스를 온 및 오프시키는 정량화기(4), 애벌랜치 영역(3), 기판(7) 및 제 2 전극(8)을 포함하는 평면 구조이며, 이들은 설명되는 구조로 배열된다. 정량화기(4)는 축적기(5)와 애벌랜치 영역(3) 사이의 인터페이스에 형성된다. 축적기(5)는 기판(7)의 평면에 평행한 방향으로 제한된 컨덕턴스를 갖는다. 일부 실시예들에서, 모든 층들은 동일한 물질로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 조절기층은 나머지 반도체층들보다 넓은 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 만들어지는 것이 바람직하 다. Referring now to FIG. 7A, a single channel element for one embodiment of an
도 7B를 참조하면, 도 7A의 기판(7)과 애벌랜치 영역(3) 사이에 배치되어 이들을 접촉시키는 신호 전송층(27)을 포함하는 애벌랜치의 수직 방향을 갖는 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 증폭 구조(1)에 대한 단일 채널 요소의 다른 대안적인 실시예가 나타나있다. 신호 전송층(27)은 신호의 실행하에서 자유전하 캐리어들을 발생시키고, 이들이 애벌랜치 영역(3) 내로 전송되게 한다. Referring to FIG. 7B, an avalanche amplifying structure operating in a Geiger mode having a vertical direction of an avalanche comprising a
도 7C를 참조하면, 언급하는 순서대로 배열되는 제 1 전극(2), 조절기(6), 애벌랜치 영역(3), 기판(7) 및 제 2 전극(8)을 포함하여 수직 방향의 애벌랜치로 가이거 모드에서 동작하는 단일 채널 소자의 대안적인 실시예가 애벌랜치 증폭 구조(1)에 대해 도시된다. 상기 애벌랜치 영역(3) 및 조절기(6)는 축적기(5)로부터 전하를 배출시키고 정량화기(4)를 제어한다. 신호 전하를 축적하는 축적기(5)의 기능과 애벌랜치 프로세스를 온/오프시키는 정량화기(4)의 기능은 애벌랜치 영역(3) 및 조절기(6) 사이의 인터페이스에서 수행된다. 애벌랜치 영역(3) 및 조절기(6) 간의 인터페이스는 기판(7)의 평면에 평행한 방향으로 컨덕턴스를 제한할 수 있다.With reference to FIG. 7C, a Geiger is placed in a vertical avalanche including a
유사하게, 수직방향의 애벌랜치로 가이거 모드에서 동작하는 증폭 애벌랜치 구조(1)에 대해 애벌랜치 영역(3), 신호 전하의 축적을 위한 축적기(5), 애벌랜치 프로세스를 온/오프하는 정량화기(4), 그리고 축적기(5)로부터 전하를 배출시키고, 한 쌍의 전극들(2, 8) 간에 고농도로 도핑된 기판(7)에 배치된 평면 라미네이트 반도체 구조를 전체적으로 구성하는 정량화기(4)를 제어하는 조절기(6)를 포함하는 것이 가능하다. 애벌랜치 영역(3)은 보다 높은 저항성을 가지지만 동일한 전도성의 물질로 구성될 수 있고, 축적기(5)는 기판(7)과 반대되는 전도성을 갖는 고도로 도핑된 반도체 물질로 구성될 수 있고, 조절기(6)는 높은 임피던스 반도체 물질로 구성될 수 있으며, 애벌랜치 영역(3) 및 축적기(5)간의 인터페이스에서 정량화기(4)가 제공될 수 있다.Similarly, for an amplifying
도 8A를 참조하면, 일련의 물질 층들은 전극(106), p-Si층(100), n+ Si 영역(102), i-Si층(110) 및 투명 전극(105)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도 8B-8C는 도 8A의 디바이스 층들에 대응하는 기능을 설명하는 밴드 다이아그램을 도시한다. Referring to FIG. 8A, a series of material layers are shown to include an
이제 도 8B-8C를 참조하면, 디바이스는 방향성[100] 및 10-100 Ω-cm의 저항성을 가지며 넓게 공핍된 영역을 갖는 실리콘 기판을 포함한다. n+-Si영역(102)은 고도로 도핑되고 0.5㎛ 미만의 폭을 갖는다. i-Si층(110)은 수 ㎛ 미만의 폭을 갖는다. 디바이스는 적외선 파장에 대한 것이며, 이때 상기 n+-Si 영역(102) 및 i-Si층(110)에서의 흡광은 무시할 수 있다. 본 발명의 대안적인 실시예는 실리콘보다 넓은 밴드 갭을 구비한 반도체(일 예로 비도핑된 ZnO)로 구성된 i-Si 층(110)을 포함하여, 상기 층 내의 흡광은 감소시키고 그리고 단파 민감성(그린-블루)을 증가시킬 수 있다. 그러한 실시예들은 1-10 Ω-cm의 저항성을 갖는 에피택셜 p-Si 층(100)을 갖는다. Referring now to FIGS. 8B-8C, the device includes a silicon substrate having directionality [100] and resistivity of 10-100 Ω-cm and having a widely depleted region. The n + -
동작은 거의 유사 역 바이어스 디자인와 동일하다. 이는 도 8B-8C에서 온/오프 상태에 대한 밴드 다이아그램에 의해 도시된다. 주요 차이는 전자과 정공 전류 가 i-Si 층(110)(조절기)을 통해 n+-Si층(102)(축적기)을 방전할 때 이를 도울 수 있다는 것이다.The operation is almost identical to the pseudo reverse bias design. This is illustrated by the band diagram for the on / off state in FIGS. 8B-8C. The main difference is that electron and hole currents can help when discharging n + -Si layer 102 (accumulator) through i-Si layer 110 (regulator).
도 9-12 및 14는 도시된 디바이스의 특정 실시예를 나타낸다. 9-12 and 14 show particular embodiments of the device shown.
이제 도 9를 참조하면, 링 가드 영역을 갖는 수직 방향의 애벌랜치 증폭 구조(1)의 단면도가 도시되고 그리고 투명 전극(105), SiO2 층(107), p+-Si층(90)(기판) 및 전극(106)을 포함하여 설명된다. i-Si층(110)(조절기)은 디바이스보다 치수가 적으며, 바람직하게는 수 ㎛의 반경을 가지며 흡광을 최소화한다. 일부 실시예들에서, i-Si 층(110)은 실리콘 보다 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 (예로서 비도핑된 ZnO)로 구성될 수 있다. 신호광(26)은 n+-Si 층(102)(축적기)을 통해 에피택셜 p-Si층(100)(애벌랜치 영역)으로 들어간다. 이러한 방식으로, n+-Si 층(102)은 전형적으로는 0.4 ㎛ 미만으로 얇아서 상기 층 내의 흡광을 최소화한다. n+-Si 가드 링(108)은 에지 효과를 억제하고 애벌랜치 프로세스는 n+-Si 층(102)(축적기) 하부에 놓여있는 영역에 걸쳐 제공된다. 블루그린 실시예들에서, 에피택셜 p-Si 층(100)은 1-2 Ω-cm의 저항성 및 수 ㎛의 폭을 가짐으로써 공핍 영역 내의 써모제너레이션 전류를 최소화한다. 적외선 실시예들에서, 에피택셜 p-Si 층(100)은 수십 ㎛의 보다 넓은 폭과 보다 높은 저항성을 갖는다. 상기 에피택셜 p-Si 층(100)의 폭 및 저항성의 정확한 값은 바람직한 스펙트랄 민감성 및 다른 디바이스 파라미터 들을 달성하기 위한 분야에서 이해되는 방법들로 계산될 수 있다. 설명된 디바이스의 동작 및 그것의 기능 요소들(축적기, 정량화기, 조절기, 기판 및 애벌랜치 영역)은 상술한 바와 같다. Referring now to FIG. 9, a cross-sectional view of a vertical
이제 도 10을 참조하면, 고 전계임플란트의 수직방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되며, 투명 전극(105), SiO2 층(107), i-Si 층(110), n+-Si 영역(102), p-임플란트층(101), 에피택셜 p-Si 층(100), p+-Si 층(90)(기판) 및 전극(106)을 포함하여 설명된다. 이러한 실시예에서, 고 전계 임플란트는 도 9의 확산 가드 링 대신에 에지 효과를 진압하는데 사용된다. 이러한 방식은 애벌랜치가 존재하지 않는 디바이스의 미사용 영역을 최소화한다. p 임플란트 층(101)은 n+-Si 영역(102) 밖의 얇은 영역이다. 애벌랜치 증폭은 p 임플란트 층(101) 내에 위치한다. i-Si 층(110)은 수 ㎛의 반영을 가지므로 상기 층 내의 흡광을 최소화한다. 일부 실시예들에서, i 실리콘층(110)은 실리콘보다 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체(일예로서 ZnO)로 구성될 수 있다. 상기 디바이스의 적외선 실시예들은 백사이드 조명(리치쓰루(rich-through))으로 동작할 수 있고, 전계의 테일(tail)은 높은 시간 해상도(high time resolultion)로 광 캐리어들을 효과적으로 모으기 위해 저농도 도핑된 에피택셜 p 실리콘층(100)을 침투하는 한편, 로우 동작 전압을 갖는다. i 실리콘층(110)(조절기)는 도 9와 관련하여 상술한 바와 같이 작은 반경을 갖는다. Referring now to FIG. 10, a vertical
이제, 도 11을 참조하면, 백사이드 조명(리치쓰루)를 갖는 수직 방향 애벌랜 치 증폭 구조가 도시되어 전극(106), SiO2층(107), i실리콘층(110), n+ 실리콘 층(102), n- 실리콘 가드 링(108), 에피택셜 p 실리콘 층(100), p-실리콘층(104), p+ 실리콘 층(103), 그리고 투명 전극(105)을 포함하여 설명된다. 상기 디바이스의 동작은 전송기-광변환기가 p- 실리콘 층(104)내에 제공된다는 것을 제외하고는 도 9에 상술한 바와 같다. 다시, i실리콘 층(110)은 수 ㎛의 반경을 가짐으로써, 상기 층내의 흡광을 최소화한다. 일부 실시예들에서, i 실리콘 층(110)은 실리콘보다 밴드 갭이 넓은 반도체(일예로 비도핑된 ZnO)로 구성될 수 있다. p-실리콘 층(104)(기판)은 높은 저항성(낮은 도핑)을 가지며 동작 전압에서 완전히 공핍된다. 설명한 디바이스는 1.06 ㎛까지의 파장을 갖는 적외선 빛을 검출할 수 있다. Referring now to FIG. 11, a vertical avalanche amplifying structure with backside illumination (richthrough) is shown to show
애벌랜치 이벤트는 p- 실리콘 층(104)에 의해 포함된 전송-광변환과 비교하여 높은 도핑을 갖는 p-실리콘 층(100) 내에서 발생한다. p 실리콘 층(100)의 폭 및 도핑은 전기장이 제로로 떨어지지 않도록 선택되나, 고도로 도핑된 p+ 실리콘 층(103)에 의해 저지된 p_ 실리콘 층(104)로 침투하는 긴 테일을 갖는다. p_ 실리콘층(104)의 폭은 디바이스에 구조적인 강도를 제공하도록 충분해야 하며, 바람직하게는 수백 ㎛에 이른다. p_ 실리콘 층(104) 내의 전계 강도는 애벌랜치에 대해 불충분해야하나, 당해 기술분야에서 이해되는 방식들로 계산되는 바와 같이 자유 캐리어가 포화된 속도(104V/cm)에서 그것 내에서 움직일 수 있도록 충분히 높아야 한 다.Avalanche events occur in the p-
p+ 실리콘 층(103)은 상기 층내에서 흡광을 최소화하는 것이 가능할 정도로 얇아야 한다. 그러나, p+ 실리콘 층(103)은 완전히 공핍되지 말아야 하며, 그것의 폭은 상기 투명 전극(105)으로부터 p- 실리콘 층(104)로의 전자 주입을 차단하도록 충분해야 한다. 당해 기술분야에서 이해되는 다양한 반사 방지 코팅이 역시 당해 분야에서 이해되는 방식들을 통해 상기 디바이스에 부가될 수 있다.The p + silicon layer 103 should be thin enough to minimize absorption in the layer. However, the p + silicon layer 103 should not be fully depleted and its width should be sufficient to block electron injection from the
이제, 도 12를 참조하면, 고 전계 임플란트 및 정공 축적기를 구비한 수직 방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되며 투명 전극(105), SiO2층(107), n+ 실리콘 층(102), p 실리콘 층(101), 에피택셜 p_ 실리콘층(100), p+ 실리콘 층(103), 에피택셜 i 실리콘층(113), p+ 실리콘 층(90)(기판), 그리고 전극(106)을 포함하여 설명된다. 상기 디바이스는 정공 축적기가 p+ 실리콘 층(130)에 의해 제공되고 그리고 에피택셜 i 실리콘층(113)이 전자 축적기 대신에 상기 정공 조절기에 의해 부가된다는 점에서 도 10과 차이가 있다. 또한, 도 10의 상기 i 실리콘 층(110)은 제거되어, 전자들의 축적을 피하기 위해서 n+ 실리콘층(102)이 바로 투명 전극으로 연결된다. Referring now to FIG. 12, a vertical
이제, 도 13을 참조하면, 도 12로부터의 수직 방향 애벌랜치 증폭 구조(1)의 기능 요소들이 도시되어 설명된다. 전송기(9)는 에피택설 p- 실리콘층(100)의 공핍 부분에 대응하고, 임계 증폭기(10)는 p 실리콘층(101)에 대응하며, 전자 정량화기(11)은 n+ 실리콘층(102) 및 p- 실리콘층(101) 간의 인터페이스에 대응하며, 전자 판독기(14)는 투명 전극(105)에 대응하고, 정공 정량화기(15)는 p- 실리콘 층(100) 및 p+ 실리콘층(130) 간의 인터페이스에 대응하고, 정공 축적기(16)는 p+ 실리콘 층(130)에 대응하고, 정공 조절기(17)는 에피택셜 i 실리콘층(113)에 대응하며, 정공 판독기(18)는 p+ 실리콘 영역(130), 에피택셜 i 실리콘층(113) 및 p+ 실리콘 층(90)(신호의 HF 부분)으로 구성되는 캐패시턴스를 통한 전극(106), 그리고 에피택셜 i 실리콘층(113)을 통해 전극(106)(신호의 LF 부분)으로 향하는 전류에 대응한다. 정공 축적기 및 정공 조절기의 동작은 상술한 바와 다르지 않으며, 이때 반대 극성 및 캐리어 타입이 고려된다. 디바이스는 애벌랜치 증폭기를 OFF로 스위칭하고, 축적기 내의 축적된 전하의 제거가 뒤따른다. Referring now to FIG. 13, the functional elements of the vertical
에피택셜 p- 실리콘 층(100)의 폭과 도핑 레벨은 층이 완전히 공핍되도록 디자인된다. 에피택셜 i 실리콘 층(113)은 정공들에 대한 장벽 높이를 조절하는 p타입 또는 n타입 물질로 구성될 수 있다. p+ 실리콘 층(130)의 크기, 형태 및 n+ 실리콘 층(102)으로부터 p+ 실리콘 층(130)의 거리는 타이밍, 지터, 최대 과전압, 보정된 과전압에서의 이득, 및 다른 성능 특성에 영향을 미치는 파라미터들을 조절한 다. The width and doping level of epitaxial p-
이 실시예의 이점들은 애벌랜치 가이거 광 검출기 또는 비 가이거 APD의 종래의 디자인와 달리 애벌랜치 영역의 앞에 부가적인 층들 및 부가적인 흡광 이 없다는 점이다. 또한, 퀀칭 시스템은 가이거 광검출기들을 사용하도록 하면서 동작 영역 뒤에 위치한다. 결과적으로 종래의 수동 및 능동 퀀칭 방법들보다 효과적인 퀀칭 시스템 및 DC 전압으로 동작할 수 있는 능력이 있다.The advantage of this embodiment is that there is no additional layers and no additional absorption in front of the avalanche region, unlike the conventional design of avalanche Geiger photodetectors or non-Geiger APDs. In addition, the quenching system is located behind the operating area while allowing use of Geiger photodetectors. As a result, there is an ability to operate with a DC voltage and a quenching system that is more effective than conventional passive and active quenching methods.
이제, 도 14를 참조하면, 링 가드 및 정공 축적기를 구비한 수직 방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고, 투명 전극(105), SiO2 층(107), n+ 실리콘층(102), n- 실리콘 가드 링(108), 에피택셜 p- 실리콘 층(100), p+ 실리콘 영역(130), 에피택셜 i 실리콘층(113), p+ 실리콘 층(90)(기판) 및 전극(106)을 포함하여 설명된다. 디바이스는 높은 전계 임플란트 디자인이 가드 링 디자인로 대체된다는 점에서 도 12와 다르다. Referring now to FIG. 14, a vertical
단일 채널 Single channel 디바이스들Devices -수평 정량화기, 수직 바이어스Horizontal quantifier, vertical bias
다양한 물질들이 도 15A-15O의 층들 및 영역들에 적용가능하다. 예를 들면, 각 층은 원하는 전기적 특성을 제공하도록 도핑된, Si, SiC, GaN, GaAs 및 GaP를 포함하는 동일 또는 상이한 반도체 물질로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 조절기(6)는 다른 층들의 그것보다는 넓은 밴드 갭을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 신호 전송층(27)은 다른 층들보다 좁은 밴드 갭을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 제 1 전극(2) 및/또는 제 2 전극(8)은, 투명 ITO 및 Al 도핑된 ZnO를 예로서 포함하는(이로 한정되지 않음), 전도성 금속 또는 광 투과 및 전도성 물질로 구성될 수 있다. 또한, 층들 및 영역들은, 다른 비도핑 및 도핑된 반도체 물질의 영역 또한 함유한 또는 함유하지 않은 라미네이트 구조를 형성하도록 배열된 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 층들 및 디바이스들은 평면 및 비 평면 모양을 포함할 수 있다. 유사하게, 단면도들은 평면 및/또는 전혀 다른 범위의 구조들을 나타낼 수 있다. SiO2 층은 다른 유사 물질들로 구성될 수 있다. Various materials are applicable to the layers and regions of FIGS. 15A-15O. For example, each layer may be composed of the same or different semiconductor materials, including Si, SiC, GaN, GaAs, and GaP, doped to provide the desired electrical properties. In other embodiments, the
이제, 도 15A를 참조하면, 수평 방향의 애벌랜치로 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고, 설명되는 순으로 배열된 층 내에서 제 1 전극(2), 조절기(6), 축적기(5) 및 애벌랜치 영역(3), 기판(7), 그리고 제 2 전극(8)을 포함하여 설명된다. 애벌랜치 영역(3), 기판(7), 그리고 제 2 전극(8)이 비교적 수평적인 범위로 되는 것이 바람직하다. 유사하게, 제 1 전극(2) 및 조절기(6)가 축적기(5)와 비교하여 약간 적은 범위로 되는 것이 바람직하다. 애벌랜치 영역(3)은 축적기(5)에 있는 그것의 두께를 통해 정공을 포함한다. 정공 및 축적기(5)는 조절기(6)와 애벌랜치 영역(3)간의 직접적인 접촉을 피하도록 조절기(6)보다 충분히 커야한다. 축적기(5)의 주위는 애벌랜치 영역(3)과 직접 접촉하여 상기 두 물질 간의 인터페이스가 링 모양의 정량화기(4)로서 기능하도록 한다. 축적기(5)는 신호 충전을 축적하는데 책임이 있다. 정량화기(4)는 애벌랜치 프로세스의 온/오프 상태 들을 제어한다. 조절기(6)는 축적기(5)로부터 전하를 배출시키고, 상기 정량화기(4)를 제어한다. Referring now to FIG. 15A, an
도 15B-15O는 도 15A의 디바이스의 변형을 나타낸다. 15B-15O show a variant of the device of FIG. 15A.
도 1B에서, 당해 기술분야에서 이해되는 하나 이상의 물질로 구성된 유전층(19)은 조절기(6)의 주변을 둘러싼다. 유전층(19)은 조절기(6) 및 애벌랜치 영역(3) 간의 전기적 도관을 제공함이 없이 축적기(5) 및 애벌랜치 영역(3)을 모두 커버하고 접촉하는 것이 바람직하다. In FIG. 1B, a
도 15C에서, 제 2 전극(8)은 기판(7)으로부터 제거되어 링 모양 구조로 대체된다. 제 2 전극은 이제 애벌랜치 영역(3)과 접촉하고 축적기(5) 및 애벌랜치 영역(3)을 포함하는 표면 위로 확장되는 조절기(6) 및 전극(2)에 대해 배열된다.In FIG. 15C, the
도 15D에서, 도 15B에서의 제 1 전극(2)은 이제 조절기(6) 및 유전층(19)을 모두 완전히 덮게 된다. In FIG. 15D, the
도 15E에서, 조절기(6)는 유전층(19) 위로 연장되고 유전층(19)의 최상위 표면을 덮도록 T형 구조를 갖는다. 제 1 전극(2)은 축적기(5)에 대해 T형 조절기(6)와 접촉한다. In FIG. 15E, the
도 15F에서, 도 15E에서의 제 1 전극(2)은 이제 제 2 전극(8) 만큼 넓은 수평 넓이를 가지도록 T 모양 조절기(6)를 접촉하여 덮도록 연장된다. In FIG. 15F, the
도 15G에서, 기판(7) 및 제 2 전극(8)은 애벌랜치 영역(3)의 모서리를 넘어 수평적으로 연장된다. 신호 전송 층(27)은 애벌랜치 영역(3)의 주변에 배치되어 그와 접촉한다. 신호 전송층(27)이 애벌랜치 영역(3) 만큼의 두께를 갖는 것이 바람 직하다. 상기 신호 전송 층(27)은 또한 애벌랜치 영역(3)을 포함하는(그러나 덜 도핑된 조성의) 반도체 물질로 구성된다. In FIG. 15G, the
도 15H에서, 전기적 전도성 접촉 영역(25)은 조절기(6)와 축적기(5) 간에 배치된다. 접촉 영역(25)은 조절기(6)와의 직접적인 전기적 접촉을 피하기 위해, 축적기(5)에 비해 덜 수평적인 넓이를 갖는다. 차단층(24)은 접촉 영역(25)의 주변에 접촉하여 배치된다. 유사하게, 상기 차단층(24)은 축적기(5) 및 애벌랜치 영역(3)을 덮는다. 상기 차단층(24)은 애벌랜치 영역(3)과 동일한 타입의 반도체 물질로 구성된다. 상기 차단 영역(24)은 제 1 전극(2)을 접촉하지 않는다. In FIG. 15H, an electrically
도 15I에서, 유전층(19)은 도 15H에서의 조절기(6)의 주변에 배치되어 접촉한다. 상기 유전층(19)은 또한 애벌랜치 영역(3)의 반대로 상기 차단층(24)을 완전히 접촉하여 덮는다. 제 1 전극(2)은 오직 조절기(6)와 접촉한다. In FIG. 15I,
도 15J에서, 도 15I의 제 1 전극(2)은 이제 조절기(6)와 차단층(24) 모두와 접촉하여 덮도록 수평적으로 확장된다. In FIG. 15J, the
도 15K에서, 제 3 전극(50)은 도 15D로부터의 제 1 전극(2)의 세그먼트를 그들 간의 갭으로 대체한다. 제 1 전극(2)은 조절기(6)와 접촉한다. 제 3 전극(50)은 유전층(19)과 접촉한다. In FIG. 15K, the
도 15L에서, 제 3 전극(50)은 도 15J로부터의 제 1 전극(2)의 세그먼트를 그들 간의 갭으로 대체한다. 제 1 전극(2)은 조절기(6)와 접촉한다. 제 3 전극(50)은 유전층(19)과 접촉한다. In FIG. 15L, the
도 15M에서, 축적기(5)는 조절기(6)의 주변에서 축적기(5)를 접촉하도록 조 절기(6)가 있는 정공을 포함한다. 조절기(6)는 이제 기판(7)상에 존재한다. In FIG. 15M, the
도 15N에서, 유전층(19)은 축적기(5)를 넘어 연장되는 도 15M으로부터 조절기(6)의 주변에 배치되어 접촉한다. 상기 제 2 전극(2)은 조절기(6) 및 유전층(19)을 접촉하여 덮도록 수평적으로 연장된다. In FIG. 15N, the
도 15O에서, 제 1 전극(2)은 오직 도 15N에서의 조절기(6)와 접촉하여 덮는다. In FIG. 15O, the
도 16 및 18-27은 디바이스들의 특정 실시예를 나타낸다.16 and 18-27 show particular embodiments of devices.
이제, 도 16을 참조하면, 수평 방향의 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 투명 전극(105), p-실리콘층(110), SiO2 층(107), p- 실리콘층(100), n+ 실리콘 영역(102), p 실리콘 영역(103), p+ 실리콘 층(91)(기판), 및 전극(106)을 포함하여 설명된다. 도 17은 수평방향 애벌랜치 증폭 구조(1)의 기능적 구성요소들을 도시한다. Referring now to FIG. 16, an
전극들(105,106)을 제외한, 도 16에 나타난 구성요소들은, 원하는 전기적 특성을 달성하도록 도핑 타입 및 농도를 갖는 실리콘이 일 예가 되는 하나 이상의 반도체 물질로 구성될 수 있다. SiO2 층(107)은 다른 유사한 물질로 구성될 수 있다.Except for the
상기 투명 전극(105) 및 p-실리콘 층(110)은 그 안의 흡광을 최소화하도록 수 ㎛의 직경이 되는 것이 바람직하다. 투명 전극(105) 및 p- 실리콘층(110)은 비도핑된 ZnO가 일 예가 되는 실리콘보다 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체로 구성될 수 있 다. n+ 실리콘 영역(102)(축적기)는 가능한한 작은 직경을 가지도록 제작된다. 전극(106)은, 예를 들어 Al, Ni, NiCr, Mo 등을 포함하는 금속, 또는 예를 들어 ITO 또는 Al 도핑된 ZnO를 포함하는 투명 전도성 물질로 구성될 수 있다. The
이러한 실시예의 ON 및 OFF 스위치는, 임계 증폭기(10)가 측면 배향을 가지고 임계 증폭기(10), 정량화기(11), 축적기(12), 및 조절기(13)가 직선으로 정렬되지 않았다는 점을 제외하고는, 도 8A 내지 도 8C에서의 디바이스와 거의 동일하다.The ON and OFF switches of this embodiment indicate that the
p-Si 영역(103)이 p--Si 층(100)보다 더 높은 도핑 농도를 가지는 것이 바람직하다. 애벌랜치 증식이 단지 p-Si 영역(103)에서의 접합의 가장자리에서만 일어나고, 그리고 도 16B에서의 전송기들(9)과 임계 증폭기들(10) 양쪽 모두는 p+-Si 층(91)에 평행하게, 측면 방향으로 배향된다. 따라서 p--Si 층(100)의 상부에서 발생된 캐리어들은 임계 증폭기들(10)에 의해 효율적으로 모아진다. 이러한 기능적 구성에서의 다른 소자들은 앞서 설명된 바와 같이 동작한다.It is desirable for the p-
p-Si 영역(103)이 폭, 전형적으로는 1 ㎛의 폭과 도핑 레벨, 전형적으로 1 Ω-cm 저항도를 가지는 것이 바람직하고, 그래서 측면 전계 성분은 이 영역(측면 방향에서의 리치-쓰루)에서 나오고 Si-SiO2 인터페이스를 따라 p--Si 층(100)을 관통하고, 따라서 신호 캐리어들을 모으고, 이들을 p-Si 영역(103)(임계 증폭기)으로 운반한다. 일부 실시예에서, p-Si 영역(103)은 p--Si 층(100)에서와 동일한 도핑으 로 구성될 수 있다. 그러나 n+-Si 층(102)(축적기)은 얇은 것이 바람직하며, 전형적으로는 0.4 ㎛보다 작다. 애벌랜치의 측면 방향은 에지 브레이크다운 효과(edge breakdown effect)에 의해 제공된다. 다른 실시예에서, p-Si 영역(103)은 리치-쓰루없이 사용될 수 있고, 디바이스 직경과 동일한 직경을 가질 수 있으며, 그래서 SiO2 층(107)을 p--Si 층(100)으로부터 완전히 분리시킨다. It is preferred that the p-
본 명세서에서 설명되는 측면-방향 디바이스는 최소한 근 자외선(UV)까지의 단파장 애플리케이션에 대해 높은 감도를 제공하고 최대 700-800 nm까지의 장파장 애플리케이션에 대해 높은 수집 효율을 제공한다. 따라서, 수집된 광-캐리어들의 전체 수로 나누어진 증폭된 광 캐리어들을 나타내는, 이러한 디바이스에 대한 기하학적 인수(geometrical factor)는 오히려 일(unity)에 가깝다.The side-directional device described herein provides high sensitivity for short wavelength applications up to at least near ultraviolet (UV) and high collection efficiency for long wavelength applications up to 700-800 nm. Thus, the geometrical factor for this device, representing amplified light carriers divided by the total number of collected light-carriers, is rather close to unity.
이제, 도 18을 참조하면, 측면-방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명되는 데, 이 구조는 투명 전극의 쌍(105), Si3N4 층(93)(절연체), n-InP 층(110), p+InP 영역(102), n InP 층(100), n InGaAsP 층(140)(버퍼), n InGaAs 층(150)(흡수기), n InP 층(160)(에피택셜), 및 n+InP 층(90)(기판, 배향 [100]). 이 층들은 상기 실시예와 반대의 도핑 타입 및 극성을 갖는다.Referring now to FIG. 18, a side-directional
InGaAsP의 애플리케이션은 디바이스의 전체 기능적 구성(조절기-축적기-정량화기-증폭기)에 영향을 미치지 않는다. 요구된 파장은 흡수 층 밴드 갭 및 폭에 의 해 정의되고, 이것의 범위는 1.06-1.6 ㎛ 이다. 넓은-밴드 물질(이로부터 증폭기와 기판이 구성됨)(InP)은 이 파장에 대해 투명하다. 흡수기로부터 증폭기를 분리시킴으로써 양자 효율이 증가하는데, 왜냐하면 증폭기 또는 기판 어느 것도 광으로부터 흡수기를 둘러싸지 않기 때문이다. 절연체 또는 Si3N4 층(93)은 앞서 설명된 SiO2 층(107)을 대신하는데, 왜냐하면 이것은 InGaAs-InP 층과의 더 좋은 성능 매칭을 제공하기 때문이다. 흡수기와 n InP 층(100) 사이의 추가적인 버퍼 층은 이들의 헤테로장벽 특성(heterobarrier property)을 개선하고, 특히 이들의 주파수 응답을 개선한다. 투명한 전극들(105)이 ITO 또는 Al-도핑 ZnO로 구성될 수 있다. 이 디바이스는 종래 기술에서 이해되는 방법을 통해 부가되는 임의의 사이드 및 반사 방지 코팅으로부터 조명될 수 있다.InGaAsP's application does not affect the overall functional configuration of the device (regulator-accumulator-quantifier-amplifier). The required wavelength is defined by the absorbing layer band gap and width, with a range of 1.06-1.6 μm. The wide-band material (from which the amplifier and substrate are constructed) InP is transparent to this wavelength. By separating the amplifier from the absorber, the quantum efficiency is increased because neither the amplifier nor the substrate surrounds the absorber from light. The insulator or Si 3 N 4 layer 93 replaces the SiO 2 layer 107 described above because it provides better performance matching with the InGaAs-InP layer. An additional buffer layer between the absorber and the
P+InP 영역(102)은 축적기로서 동작하여 이웃하는 n InP 층(100)과의 그 인터페이스가 정량화기로서의 기능을 한다. n-InP 층(110)은 축적기 방전(임계 증폭기를 턴오프 시키기에 충분한 것)에서의 지연에 대해 책임이 있고, 그리고 축적된 전하를 이로부터 제거함으로써 초기 단으로 임계 증폭기를 리턴시키는 데 책임이 있는 조절기이다. 애벌래치 영역 또는 임계 증폭기는 n InP 층(100)에 대응한다.P + InP region 102 operates as an accumulator so that its interface with neighboring n InP layers 100 functions as a quantifier. The n-
n InP 층(100), n InGaAsP 층(104), 및 n InGaAs 층(150)의 폭과 도핑 농도는 종래 기술에서 이해되는 방법을 통해 제조된다. 전계 세기는 n InP 층(100)에서의 애벌랜치 증식에 대해 충분하고 흡수기에서의 충분히 낮은 전계 테일이 터널링 및 애벌랜치 전류를 막도록 하기에 충분하다. 전계 테일은 흡수기로부터 증폭기까 지 발생된 광캐리어들을 모아, 흡수기가 완전히 공핍되도록 할 수 있다. 흡수기 폭은 요구된 파장에서의 효과적인 광 흡수에 대해 충분하다. 일부 실시예들에서, 흡수기는 n InP 층(100)으로부터 어떠한 전계 관통 없이 만들어질 수 있지만, 광캐리어들이 공핍 n InP 층(100)에 도달하도록 할 수 있고 반면에 흡수기에서의 터널링 전류를 필할 수 있는 밴드 갭은 변한다.The width and doping concentration of the
이제, 도 19를 참조하면, 디바이스의 한쪽 면을 따라 정렬된 투명 전극(150)과 전극(106)을 구비한 측면-방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 이 디바이스는 도 16에서의 디바이스의 대안적 실시예이고, 여기서 이제 링 전극(106)은 SiO2 층(107)을 통과하고, 그리고 p--Si 층(100)에 매입된 p+-Si 영역(104)에 부착된다. 더욱이, 도 16에서의 전극(106)은, 도 19에 도시된 바와 같이, SiO2 층(107)으로 대체된다. 전극들(106)은 금속 또는 투명 전도 물질로 구성될 수 있다. p+-Si 영역(104)은 전극(106)으로부터 p--Si 층(100)으로의 전자들의 주입을 막는다. p+-Si 영역(104)에 대한 도핑 깊이는 작으며, 전형적으로는 0.3 ㎛이다. p+-Si 영역(104)의 폭은 최소화되고, 그리고 전극(106)의 가장자리를 약간 넘어 확장하는 것이 바람직하다. n+-Si 영역(102)과 p+-Si 영역(104) 간 거리는 충분해야만 하고, 그래서 p-Si 영역(103)으로부터 전계의 측면 성분은 작고 p+-Si 영역(104)에서의 터널 전류를 일으키지 않는다. 이 디바이스의 기능은 도 16에 대해 앞서 설명 된 바와 같다.Referring now to FIG. 19, a side-direction
이제, 도 20을 참조하면, 세 개의 전극을 구비한 측면-방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 이 디바이스는 도 16에서의 디바이스의 대안적인 실시예이고, 여기서 링 모양 전극(117)이 투명 전극(105) 주위에 배치되고 그리고 SiO2 층(107)에 접촉한다. 전극(117)은 투명 전도성 물질로 구성되고, 이것의 예는 앞서 제공되었다. 전극(117)은 디바이스 특성(다른 파장에 대한 응답 시간, 스펙트럼 감도를 포함하지만 이것에만 한정되지 않음)의 추가적인 조절을 가능하게 하게, 그리고 보호 옥사이드에서의 고정된 전하를 보상한다. 디바이스가 최적하되도록 DC 전압이 전극(117)에 인가된다. 보호 SiO2 층(107)은, 전극(117)으로부터의 전기장의 수직 성분에 의해 발생된 p 또는 p- 층(100)과 p-Si 층(103)에서의 애벌랜치 프로세스를 막기 위해, 충분히 두꺼워야만 하며, 일반적으로 0.7 ㎛이다. 이 디바이스의 기능은 도 16에 대해 앞서 설명된 바와 같다.Referring now to FIG. 20, a side-directional
이제, 도 21을 참조하면, 디바이스의 한쪽 면을 따라 정렬되는 단일 전극을 구비한 측면-방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 이 디바이스는 도 16에서의 디바이스의 대안적 실시예이고, 여기서 투명 전극(105)이 SiO2 층(107)의 상부 표면을 완전히 덮는다. 이 실시예의 주요 장점은 더 큰 부피의 p--Si 층(100)이 공핍되어 광캐리어의 수집 및 디바이스의 응답 시간을 개선하는 것이다. 보호 SiO2 층(107)은, 전극(105)으로부터의 전기장의 수직 성분에 의해 발생된 p 또는 p- -Si 층(100)과 p-Si 층(103)에서의 애벌랜치 프로세스를 막기 위해, 충분히 두꺼워야만 하며, 일반적으로 0.7 ㎛이다. 이 디바이스의 기능은 도 16에 대해 앞서 설명된 바와 같다.Referring now to FIG. 21, a side-direction
이제, 도 22를 참조하면, 차단층을 구비한 측면-방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 이 디바이스는 도 16에서의 디바이스의 대안적 실시예이고, 여기서 차단층은 SiO2 층(107)과 p or p--Si 층(100) 사이에 배치되는 n-Si 층(120)이다. n-Si 층(120)은 p 또는 P--Si 층(100)과 반대의 도핑 타입으로 얇은 것이 바람직하며, 전형적으로 0.3 ㎛이다. p 또는 p--Si 층(100)은 Si-SiO2 인터페이스 아래에서 매입된 채널을 형성하여 인터페이스를 따라 광캐리어들의 운반을 개선한다. 차단층은 종래 기술에서 이행되는 방법을 통해 제조된다. 이 디바이스의 장점은 개선된 안정도를 포함하는데, 왜냐하면 애벌랜치 프로세스는 인터페이스로부터 멀리 이동되고 그럼으로써 핫 캐리어들의 SiO2로의 주입이 억제된다. 도 23은 이러한 디자인에 대한 대안적 실시예를 보여주며, 여기서 투명 전극(105)은 p--Si 층(110)과 SiO2 층(107)을 완전히 덮는다. 도 24는 이러한 디자인에 대한 대안적 실시예를 보여주며, 여기서 투명 전극(105)이 p- Si 층(100)에 개별적으로 접촉하고 그리고 제 3 전극(117)이 SiO2 층(107)에 개별적으로 접촉한다. 이러한 디바이스의 기능은 도 16에 대해 앞서 설명된 바와 같다.Referring now to FIG. 22, a side-directional
이제, 도 25를 참조하면, 디바이스의 한쪽 면을 따라서 정공 축적기와 단일 전극을 구비한 측면 방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 투명 층(105)이 이제 p--Si 층(110)에 의해 점유된 부피를 채우고 그리고 i-Si 층(113)이 p 또는 p- Si 층(100)과 p+-Si 층(91)(기판) 사이에 제공된다는 점에서, 이 디바이스는 도 21에서의 디바이스와는 다르다. p-Si 층(103)의 폭은 앞선 실시예들보다 더 넓다.Referring now to FIG. 25, a lateral
이제, 도 26을 참조하면, 블록킹 층, 정공 축적기, 및 두 개의 전극을 디바이스의 한쪽 면을 따라 구비하고 있는 측면-방향 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 이 디바이스는 도 24에서의 디바이스와 다르며, 여기서 투명 전극(105)은 이제 P--Si 층(110)(전자 축적기)에 의해 점유된 부피를 채우고, p-Si 층(103)의 폭은 더 넓고, 그리고 i-Si 층(113)(정공 축적기)와 p+-Si 층(130)은 p-Si 층(100)과 p+-Si 층(91) 사이에 배치된다. 도 27에서는 도 26에 도시된 전극(117)과 n-Si 층(120)이 제거된다.Referring now to FIG. 26, a side-direction
단일 채널 Single channel 디바이스device - 변경가능 정량화기, 정상 바이어스 -Changeable quantifier, normal bias
다양한 물질들이 도 28A-28B에서의 층들 및 영역들에 응용가능하다. 예를 들어, 각각의 층은 동일한 반도체 물질 또는 서로 다른 반도체 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어 Si, SiC, GaN, GaAs 및 GaP를 포함하고, 이것은 요구된 전기적 성 질을 제공하기 위해 도핑된다. 다른 실시예에서, 조절기(6)는 다른 층보다 더 넓은 밴드 갭을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단일 전송층(27)은 다른 층들보다 더 좁은 밴드 갭을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제 1 전극(2) 및/또는 제 2 전극(8)이 전도성 물질 또는 광 투과성 및 전도성 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어 반드시 이것에만 한정되지 않지만 투명한 ITO 및 Al-도핑 ZnO를 포함한다. 더욱이, 층들 및 영역들은, 또 다른 비-도핑 반도체 물질 및 도핑 반도체 물질의 포함 또는 영역으로 혹은 이러한 포함 또는 영역 없이 라미네이트된 구조를 형성하도록 정렬된 두 개 또는 그 이상의 층들을 포함할 수 있다. 층들 및 디바이스들은 평평한 모양 및 평평하지 않은 모양을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 단면도는 평평한 확장 및/또는 직경 확장의 구조를 나타낼 수 있다. SiO2 층은 다른 비교가능한 물질로 구성될 수 있다.Various materials are applicable to the layers and regions in FIGS. 28A-28B. For example, each layer can be composed of the same semiconductor material or different semiconductor materials, for example Si, SiC, GaN, GaAs and GaP, which are doped to provide the required electrical properties. . In other embodiments, the
이제, 도 28A를 참조하면, 드레인 및 두 개의 전극을 갖는 MIS 기반의, 애벌랜치의 수직 방향을 갖는 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명되며, 유전체 층(19)에 접촉하는 제 3 전극(50)과, 조절기(6)에 접촉하는 제 1 전극(2)과, 애벌랜치 영역(3)과, 애벌랜치 영역(3) 및 조절기(6) 양쪽 모두에 접촉하고 있는 기판과, 그리고 기판(7)에 접촉하고 있는 제 2 전극(8)을 포함한다. 유전체 층(19)은 애벌랜치 영역(3)과 조절기(6) 양쪽 모두에 접촉한다. 애벌랜치 영역(3)은 조절기(6)의 측면 바깥 둘레에 접촉한다. 전기 전위가 제 1 전극(2)과 제 2 전극(8) 사이에 인가될 때 그리고 가이거 (브레이크다운 위) 애벌랜치 모드가 애벌랜치 영 역(3)에 생성될 때, 정량화기(4) 및 축적기(5)가 유전체 층(19)과 애벌랜치 영역(3) 사이의 인터페이스에서 제공되며, 그리고 제 3 전극(50)은 인가된 전압을 가지며, 이 전압에서 축적기(5)상에 저장된 전하는 조절기(6)를 통해 제 1 전극(2)에 배출된다. 도 28B는 도 28A로부터의 디바이스를 도시하고, 여기서 축적기(5)는 유전체 층(19)과 애벌랜치 영역(3) 사이의 인터페이스에서 제공되고 그리고 정량화기(4)가 애벌랜치 영역(3)과 기판(7) 사이에 제공된다.Referring now to FIG. 28A, an MV-based,
도 29와 도 31은 예시적 디바이스들의 특정 실시예에 관한 것이다.29 and 31 relate to certain embodiments of example devices.
이제, 도 29를 참조하면, 드레인 및 전극들을 갖는 MIS 기반의, 애벌랜치의 수직 방향을 갖는 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 이 디바이스는 투명 전극(105), 전극(117), SiO2 층(107), i-Si 층(110), p-Si 층(100), p- Si 층(104)(애피택셜), p+ Si 층(120)(기판), 및 전극(106)을 포함한다. 본 디바이스는 가이거 모드에서 동작하지만, 이것은 앞서 설명된 이전의 예들과는 다르다.Referring now to FIG. 29, an
SiO2 층(107) 및 전극(105)과 함께, 1 Ω-cm의 예시적 저항도를 갖는 p-Si 층(100)이 완전히 공핍되는 MIS 구조로서 동작하는데, 왜냐하면 소수 캐리어들이 p-Si 층(100)으로부터 Si-SiO2 인터페이스를 따라 i-Si 층(110)으로 그 다음에 전극(117)으로 전류를 배출시키기 때문이다. 전극(105)에 대한 전압은 p-Si 층(100)에서의 가이거 모드 애벌랜치를 제공하기 위해 충분히 높아야만 한다. 전극(117)에 인가된 전압은 p-Si 층(100)으로부터 i-Si 층(110)으로 전류를 배출하기 위해 충 분해야만 하지만, i-Si 층(110)에서의 애벌랜치 브레이크다운을 위해 필요한 것보다는 더 작아야만 한다. p--Si 층(104)은 p-Si 층(100)보다 더 높은 전위를 가짐에도 불구하고, 낮은 도핑으로 인해, p--Si 층(104)에서의 애벌랜치는 없다. 전극(117)과 i-Si 층(110) 사이의 접촉은 바람직하게는 비-주입적 이고, 따라서 전자의 주입을 막기 위한 쇼트키 장벽을 포함한다. 일부 실시예들에서, 얇은 n+ 층은 전자 주입을 막기 위해 i-Si 층(110)의 상부를 따라 제공될 수 있다. 투명 전극(105)은 높은 전도성을 갖는 ITO 또는 ZNO로 구성될 수 있다. 전극(106 및 107)은 금속 또는 투명 전도성 물질로 구성될 수 있다. SiO2 층(107)에서의 옥사이드 두께는 p-Si 층(100)에서의 효과적 애벌랜치를 제공하기 위해 작아야 하며, 전형적으로 0.1 ㎛이다.Together with the SiO 2 layer 107 and the
이제, 도 30A-30C를 참조하면, 도 30A는 도 29의 구조에 대응하는 물질 층들의 시퀀스를 보여주고 있으며, 그리고 도 30B-30C는 증폭기의 다양한 동작 조건 동안 도 30A에서 도시된 물질 층 구조에 대응하는 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다. 도 30D는 도 29에 도시된 애벌랜치 증폭 구조의 기능적 컴포넌트들을 도식적으로 도시한다.Referring now to FIGS. 30A-30C, FIG. 30A shows a sequence of material layers corresponding to the structure of FIG. 29, and FIGS. 30B-30C show the material layer structure shown in FIG. 30A during various operating conditions of the amplifier. The corresponding energy band diagram is shown. FIG. 30D schematically illustrates the functional components of the avalanche amplifying structure shown in FIG. 29.
초기 단에서, p-Si 층(100)에서의 전기장 세기는, 양의 전압이 투명 전극(105)에 인가될 때, 임팩트 이온화(impact ionization)에 대해 충분하다. 정상 동작 전압은 브레이크다운 전압을 초과해야만 하고, 따라서 가이거 모드를 개시한 다.In the initial stage, the electric field strength in the p-
증폭 동안, 애벌랜치 증식이 자유 캐리어들 또는 전자들(62)에 의해, 도 28C에 도시된 바와 같이, p-Si 층(100)에서의 Si-SiO2 인터페이스 가까이에서 일어난다. 이 프로세스는 애벌랜치 증식으로 인해 자기-유지적(self-sustaining)이고, 여기서 전류 밀도를 갖는 전류 필라멘트는 시간에 대해 기하급수적으로 증가한다. 필라멘트 전자들이 Si-SiO2 인터페이스에서 축적된다. 이러한 전자들의 이동도는 높지 않으며, 그래서 이들은 국부적으로 축적되고, 그래서 필라멘트 영역에서의 전기장을 스크린하고 애벌랜치 프로세스를 종료한다. Si-SiO2 인터페이스는, 인터페이스를 따라 퍼진 전자들의 이동도에 의해 정의되는, 시상수를 갖는 HF 축적기로서 동작한다.During amplification, avalanche proliferation occurs near the Si-SiO 2 interface in the p-
증폭 이후에, 초기 전자들(62)은 결과적으로 도 30D에 도시된 바와 같이 조정된 전하 패키지 또는 제 1 패키지를 초래한다. 인터페이스에서의 이 패키지의 출현은 옥사이드 커패시턴스로부터 나온 것이며, 전극(105)(HF 리더(HF reader))에서의 전하 패키지에 대응하고, 여기서 이것이 검출될 수 있다. After amplification,
전류 필라멘트의 종료 이후에, 결과적인 전하는 인터페이스를 따라 LF 축적기로 흐르고 그리고 전류 필라멘트가 발생한 영역은 초기 단으로 복원된다. 인터페이스 리드, 또한 HF 조절기는 임계 증폭기를 턴오프시키기에 충분한 지연으로 HF 축적기로부터 전하를 제거한다. Si-SiO2 인터페이스는 p-Si 층(100)에서의 전계에 의해 정의된 바와 같이 정량화기로서의 기능을 수행한다.After the end of the current filament, the resulting charge flows along the interface to the LF accumulator and the area where the current filament has occurred is restored to the initial stage. The interface lead, also the HF regulator, removes charge from the HF accumulator with a delay sufficient to turn off the threshold amplifier. The Si-SiO 2 interface functions as a quantifier as defined by the electric field in the p-
각각의 전류 필라멘트가 오히려 작은 영역, 전형적으로는 몇 제곱 ㎛보다 더 작은 영역을 차지한다. 따라서, 몇몇 필라멘트는 p-Si 층(100) 내에 동시에 존재할 수 있어 몇몇의 전하 패키지를 생산할 수 있다. 이처럼, 만약 p-Si 층(100)이 필라멘트로부터의 나오는 전하 스팟(charge spots)과 비교하여 충분히 크다면, 이 디바이스는 멀티-채널 광자 계수기(multi-channel photon counter)로서 동작한다. Each current filament occupies a rather small area, typically an area smaller than a few square microns. Thus, some filaments may exist simultaneously in the p-
이제, 도 31을 참조하면, 드레인 및 전극들을 갖는 MIS 기반의. 애벌랜치의 수직 방향을 갖는 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 이 실시예에서, n+-Si 층(120)이 도 29와 비교하여, i-Si 층(110)과 p--Si 층(104) 사이에 바로 제공된다. Referring now to FIG. 31, MIS based with drain and electrodes. An amplifying
1 Ω-cm의 예시적 저항도를 갖는 p-Si 층(100) 및 SiO2 층(107)이 완전히 공핍되는 MIS 구조로서 동작하는데, 왜냐하면 소수 캐리어들은 p-Si 층(100)으로부터 Si-SiO2 인터페이스를 따라 p+-Si 층(120)으로 전류를 배출시키기 때문이다. p-Si 층(100)에서의 애벌랜치 증식이 없는 경우, LF 축적기(p+-Si 층(120))에 대한 전류 차징은 무시할 수 있고 그리고 LF 축적기는 LF 조절기(i-Si 층(110))를 통한 방전 전류(정공(64) 및 전자(62)) 양쪽 모두)로 인해 정상-상태에 있게 된다. LF 축적기의 충전-방전 매커니즘은 도 9에 대해 설명된 바와 동일하다. SiO2 층(107)에 대한 옥사이드 두께는 p-Si 층(100)에서의 효과적인 애벌랜치를 제공하기 위해 작으며, 일반적으로 0.1 ㎛이다.P-
이제, 도 32A-32C를 참조하면, 도 32A는 도 31의 구조에 대응하는 물질 층의 시퀀스를 도시하고, 그리고 도 32B-32C는 증폭기의 다양한 동작 조건 동안 도 32A에서 도시된 물질 층 구조에 대응하는 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다. 도 32D는 도 31에 도시된 애벌랜치 증폭 구조의 기능적 컴포넌트들을 도식적으로 도시한다.Referring now to FIGS. 32A-32C, FIG. 32A shows a sequence of material layers corresponding to the structure of FIG. 31, and FIGS. 32B-32C correspond to the material layer structure shown in FIG. 32A during various operating conditions of the amplifier. An energy band diagram is shown. FIG. 32D schematically illustrates the functional components of the avalanche amplifying structure shown in FIG. 31.
초기 단에서, p-Si 층(100)에서의 전기장 세기는, 양의 전압이 투명 전극(105)에 인가될 때, 임팩트 이온화에 대해 충분하다. 정상 동작 전압이 브레이크다운 전압을 초과해야만 하고, 따라서 가이거 모드를 개시한다.In the initial stage, the electric field strength in the p-
증폭 동안, 애벌랜치 증식이 자유 캐리어들 또는 전자들(62)에 의해 도 32C에 도시된 바와 같이 p-Si 층(100)에서의 Si-SiO2 인터페이스 가까이에서 발생한다. 이 프로세스는 애벌랜치 증식으로 인해 자기-유지적이고, 여기서 전류 밀도를 갖는 전류 필라멘트는 시간에 대해 기하급수적으로 증가한다. 필라멘트 전자들이 Si-SiO2 인터페이스에서 축적된다. 이러한 전자들의 이동도는 높지 않으며, 그래서 이들은 국부적으로 축적되고, 따라서 필라멘트 영역에서의 전기장을 스크린하고 애벌랜치 프로세스를 종료한다. Si-SiO2 인터페이스는, 인터페이스를 따라 퍼진 전자들의 이동도에 의해 정의되는, 시상수를 갖는 HF 축적기로서 동작한다.During amplification, avalanche proliferation occurs near the Si-SiO 2 interface in the p-
증폭 이후에, 초기 전자들은 결과적으로 도 32D에 도시된 바와 같이 조정된 전하 패키지 또는 제 1 패키지를 초래한다. 인터페이스에서의 이 패키지의 출현은 옥사이드 커패시턴스로부터 나온 것이며 전극(105)(HF 리더)에서 전하 패키지에 대 응하고, 여기서 이것이 검출될 수 있다.After amplification, the initial electrons result in an adjusted charge package or first package as shown in FIG. 32D. The appearance of this package at the interface comes from oxide capacitance and corresponds to the charge package at electrode 105 (HF reader), where it can be detected.
전류 필라멘트의 종료 이후에, 결과적인 전하는 인터페이스를 따라 n+-Si 층(102)(LF 축적기)으로 흐르고 그리고 전류 필라멘트가 발생한 영역은 초기 단으로 복원된다. 인터페이스 리드, 또한 HF 조절기는 임계 증폭기를 턴오프 시키기에 충분한 지연으로 HF 축적기로부터 전하를 제거한다. Si-SiO2 인터페이스는 p-Si 층(100)에서의 전계에 의해 정의된 바와 같이 정량화기로서의 기능을 수행한다.After the end of the current filament, the resulting charge flows along the interface to the n + -Si layer 102 (LF accumulator) and the area where the current filament has occurred is restored to the initial stage. The interface lead, also the HF regulator, removes charge from the HF accumulator with a delay sufficient to turn off the threshold amplifier. The Si-SiO 2 interface functions as a quantifier as defined by the electric field in the p-
각각의 전류 필라멘트가 오히려 작은 영역, 전형적으로는 몇 제곱 ㎛보다 더 작은 영역을 차지한다. 따라서, 몇몇 필라멘트는 p-Si 층(100) 내에 동시에 존재할 수 있어 몇몇의 제 1 전하 패키지를 생산할 수 있다. LF 축적기의 용량 및 방전 전류는, 제 1 전하 패키지의 수집 이후에 그 상태를 변경하지 않도록, 충분해야만 한다. 그러나 LF 축적기의 축적-완화 시간(integrating-relaxation time)은 HF 축적기보다 더 높다. 축적 시간은 전극(117)에 인가되는 전압에 의해 조절된다. 몇몇 전하 패키지들은 축적 시간 내에 모아질 수 있고, 전계는 p-Si 층(100)에서 감소되는데, 왜냐하면 전하가 이것으로부터 제거되기 때문이다. 따라서, LF 축적기가 제 2 전하 패키지를 축적하고, 이것은 또한 도 32D에 도시되어 있으며, 미리 결정된 개수의 제 1 패키지들로 구성된다.Each current filament occupies a rather small area, typically an area smaller than a few square microns. Thus, some filaments may exist simultaneously in the p-
도 32D에 나타난 바와 같이, 몇몇 증폭 채널이 자유 캐리어들의 개수에 따라 p-Si 층(100) 내에 동시에 존재할 수 있으며, 이 자유 캐리어들 각각은 증식 프로세스(여기서 이들은 충돌함)를 개시한다. 세 개의 이러한 프로세스 또는 가상 채널 이 도 32D에 도시된다. 각각의 가상 채널은 동일한 세트의 기능적 소자들을 가지는데, 리더(9), 임계 증폭기(10), 정량화기(11), HF(High Frequency) 축적기(12), HF 조절기(13), 및 HF 리더(14)를 포함한다. 가상 채널들 내의 모든 HF 조절기들은 제 1 패키지들을 축적하는 단일 LF(Low Frequency) 축적기(21)에 연결되는데, 이것은 이들이 HF 조절기들(13)을 통해 배출된 이후에 일어난다. 개별 증폭기 기능적 구성의 이러한 제 2 단은, 제 2 조정 패키지들을 형성하며, LF 축적기(21), LF 조절기(22), LF 리더(23), 도 32D에 도시된 모두를 포함한다.As shown in FIG. 32D, several amplification channels may exist simultaneously in the p-
명백한 것으로, 설명된 디바이스는 전극(117) 상에서 디지털 신호 혹은 조정된 신호로서 몇 개의 광자 펄스를 검출할 수 있게 하고, 반면에, 동일한 전극(117)에서 열 전력 발생(thermogeneration)에 의해 발생된 비-신호 펄스들은 쉽게 구별된다. 전극(117)에서의 LF 축적 시간의 전압 조절로 인해 디바이스가 PET 응용가능성으로 광의 펄스 길이를 검출하는 것이 가능하다. 또한, 광자 계수기 응용가능성으로, 전극(105)에서의 신호를 판독함으로써, 높은 시간 분해능으로 단일-광자 이벤트들을 카운팅할 수 있다.Apparently, the described device makes it possible to detect several photon pulses as digital signals or adjusted signals on the
멀티-채널 Multi-channel 디바이스device
앞서 설명된 단일-채널 애벌랜치 증폭 디바이스가 다양한 멀티-채널 디바이스들로 통합될 수 있고, 미국 특허 번호 6,885,827에서 설명되는 바와 같이 개별 증폭으로 광검출기에 대해 전체 기능을 제공할 수 있다. 다음의 예들은 예시적 어레이들을 나타내는 것으로 한정적인 의미로 사용하는 것이 아니다. 따라서, 본 발명은 모든 애벌랜치 증폭 디바이스를 포함하는 것으로, 여기서 두 개 혹은 그 이상 의 전극들 사이에 배치되는 반도체 라미네이트에서의 두 개의 층들 간 인터페이스는 정량화기로서, 축적기로서, 혹은 정량화기 및 축적기가 개별적으로 또는 결합되어 그 기능을 수행한다.The single-channel avalanche amplification device described above can be integrated into a variety of multi-channel devices and can provide full functionality for the photodetector with individual amplification as described in US Pat. No. 6,885,827. The following examples represent exemplary arrays and are not to be used in a limiting sense. Accordingly, the present invention encompasses all avalanche amplification devices wherein the interface between two layers in a semiconductor laminate disposed between two or more electrodes is as a quantifier, as an accumulator, or as a quantifier and accumulator. The groups perform individually or in combination to perform their functions.
이제, 도 33을 참조하면, 애벌랜치의 측면 방향 및 정공 축적기를 갖는 애벌랜치 증폭 구조(1)가 도시되고 설명된다. 이 디바이스는 제 1 전극(2), 접촉 층(25), 애벌랜치 영역(3), 신호 전송층(27), 유전체 층(19), 축적기(5), 조절기(6), 기판(7), 및 제 2 전극(8)을 포함한다.Referring now to FIG. 33, an
이제, 도 34를 참조하면, 세 개의 애벌랜치 증폭 구조들(1)로 구성된 어레이를 형성하도록 정렬된 도 33으로부터의 구조가 도시되어 있다. 본 발명의 목적에 있어, 어레이는 기하학적 패턴으로 정렬되는 두 개 또는 그 이상의 애벌랜치 증폭 구조들(1)을 의미한다. 인접해 있는 애벌랜치 증폭 구조들(10)의 쌍은 0.5 ㎛보다 작지 않은 간격만큼 떨어져 있는 것이 바람직하다. 축적기들(5) 사이의 간격은 애벌랜치 영역을 구성하는 반도체 물질, 축적기(5)와 동일한 전도성 타입의 약하게 도핑된 반도체 물질, 또는 유전체 물질로 채워 질 수 있다. 애벌랜치 증폭 구조들(1)이 기하학적으로 그리고 크기적으로 동일한 것이 바람직하다. 애벌랜치 증폭 구조들(1)은 다양한 정규 형태 및 임의 형태를 포함할 수 있으며, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 다각형 및 원을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 3 전극(50)이 앞서 설명된 바와 같이 이 구조에 부가될 수 있다. 제 1 전극들(2), 제 2 전극들(8), 및 제 3 전극들(50), 그리고 기판들(7)은 개별적인 단일의 연속 시트들로 구성될 수 있으며, 애벌랜치 증폭 구조들(1)에서의 다른 층들이 이 시트들 상에 부 착된다. 제 1 전극들, 제 2 전극들, 및 제 3 전극들이 투명체로 구성될 있다. 다른 실시예에서, 유전체 층(19), 차단층(24), 또는 전도성 영역(25)이 이 구조에 부가될 수 있어, 앞에서 설명된 바와 같이, 애벌랜치 증폭 구조(1)의 성능을 강화시킬 수 있다.Referring now to FIG. 34, the structure from FIG. 33 is shown aligned to form an array of three
이제, 도 35를 참조하면, 도 33으로부터의 단일 채널 소자를 포함하는 도 34에서의 멀티-채널 디바이스의 도시적 도면이 도시되고 설명된다. 이 디바이스는 투명 전극들(105), n+-Si 영역들(102), p-Si 층(103), p+ 영역들(130), p-Si 층(100), i-Si 층(113), p+-Si 층(90), 및 전극(106)을 포함한다. 이 디바이스는 도핑된 실리콘 기판 상에서 제조되며, 0.01 Ω-cm의 저항도와 배향 [100], 그리고 350 ㎛의 두께를 갖는다. i-Si 층(113)은 폭을 가지며 도핑 없는 에피택셜 실리콘이고, 그래서 p+-Si 영역들(130)과 P+-Si 층(90) 사이의 거리는 2 ㎛이다. P+-Si 영역들(130)은 p+ 타입 도핑을 포함하고, 제 1 에피택셜 층이고, 그리고 치수가 작도록 크기 조절된다. 제 2 에피택셜 층 혹은 p-Si 층(100)은 폭을 가지고, 그래서 n+-Si 영역들(102)과 p+-Si 영역들(130) 사이의 거리는 5 ㎛이다. p-Si 층(100)은 p형으로 도핑되고 그 저항도는 7-10 Ω-cm이다. 제 3 p-도핑 에피택셜 층은 1 Ω-cm의 저항과 2 ㎛의 폭을 갖는다. n+-Si 층(102)은 n-타입 불순물을 사용하여 확산에 의해 제조된다. 상부 표면은 0.5 ㎛의 두께로 산화되고, 그 다음에 ITO가 증착되고 (리소그래피를 통 해) 에칭되어 전극들(105)을 형성한다. 전극들(105)은 2 ㎛의 직경을 가지며, 이들 모두는 서로 연결되어 있고 그리고 투명 전도체(105)에 의해 금속 접촉 플레이트와 연결되어 있다. 이 금속 전극(106)은 종래기술에서 이해되는 방법을 통해 제조된다.Referring now to FIG. 35, an illustrative diagram of a multi-channel device in FIG. 34 that includes a single channel element from FIG. 33 is shown and described. The device comprises
채널들은 다양한 패턴과 모양을 형성하도록 패키징 될 수 있다. 채널들 사이의 거리는 전형적으로 10-14 ㎛이다. 이 거리는 요구된 파장, 타이밍 분해능에서 양자 효율을 최적화시키기 위해 그리고 채널 상호작용 또는 크로스-토크(cross talk)를 최소화시키기 위해, 8-30 ㎛ 범위에 있을 수 있다. 거리가 더 커질수록 상호작용은 더 낮아진다. 그러나, 거리가 더 커지면 양자 효율이 감소한다. 따라서 최적의 거리는 이 디바이스의 최종 사용에 따라 달라진다.The channels can be packaged to form various patterns and shapes. The distance between the channels is typically 10-14 μm. This distance may be in the range of 8-30 μm, to optimize quantum efficiency at the required wavelength, timing resolution, and to minimize channel interaction or cross talk. The greater the distance, the lower the interaction. However, larger distances reduce quantum efficiency. The optimal distance therefore depends on the final use of the device.
도 36은 멀티-채널 디바이스의 예시적 평면도를 나타내고, 여기서 일곱 개의 투명 전극들(105)이 투명 커버(150)를 갖는 디바이스 주위에 배치된다. 이 디바이스로부터 접촉 플레이트(151)까지의 와이들의 쌍(152)이 도시되어 있고, 이것은 기록 디바이스에 신호를 전달한다. 도 37은 단일 투명 덮개(150)를 갖는 디바이스를 도시한다.36 shows an exemplary plan view of a multi-channel device, wherein seven
이제, 도 38A-38E를 참조하면, 일곱 개의 추가적인 예시적 멀티-채널 디바이스들이 도시되고 설명된다.Referring now to FIGS. 38A-38E, seven additional exemplary multi-channel devices are shown and described.
도 38A에서, 멀티-채널 디바이스는, 앞서 도 7A에서 제공된 바와 같이, 애벌랜치의 수직 방향을 갖는 세 개의 애벌랜치 증폭 구조들(1)로 구성된다. 애벌랜치 증폭 구조들(1)은 제 1 전극(2), 조절기(6), 축적기(5), 정량화기(4), 애벌랜치 영 역(3), 기판(7), 및 제 2 전극(8)을 포함하며 이것들은 설명된 순서로 정렬된다. 개별적 축적기들(5)과 정량화기들(4)은 0.5 ㎛보다 작지 않은 거리만큼 떨어져 있다. 축적기들(5) 간 공간은 바람직하게는 약하게 도핑된 반도체 물질로 구성되는 유전체 층(19)을 포함하고, 애벌랜치 영역(3)은 이것으로 구성된다. 축적기들(5)과 정량화기들(4)은 서로 등거리에 있는 것이 바람직하고, 0.5 ㎛보다 작지 않은 거리를 갖는다. 더욱이, 축적기들(5)과 정량화기들(4)은 정다각형, 정사각형, 육각형, 또는 원 형태의 모양을 가질 수 있다. 제 1 전극들(2)은 멀티-채널 디바이스의 전체 동작 영역 위에 배치될 수 있다. 제 1 전극은 개별 축적기들(5) 모두 위에 있는 조절기(6)와 접촉하는 메시 전극(mesh electrode)일 수 있다.In FIG. 38A, the multi-channel device is composed of three
도 38B에서, 도 15D에서 제공된 바와 같이, 멀티-채널 디바이스는 애벌랜치의 측면 방향을 갖는 세 개의 애벌랜치 증폭 구조들로 구성된다. 애벌랜치 증폭 구조들(1)은 제 1 전극(2), 조절기(6), 축적기(5), 기판(7), 및 제 2 전극(8)을 포함하며, 이것들은 설명된 순서로 정렬된다. 축적기(5)는 애벌랜치 영역(3)을 따라 정공 내에 배치되며, 그래서 두 개의 소자들 간 접촉은 링-모양 정량화기(4)를 제공한다. 제 1 전극(2), 제 2 전극(8), 축적기들(5), 및 조절기(6)는 0.5 ㎛보다 작지 않은 거리 만큼 서로 떨어져 있다. 축적기들(5) 간 공간은 바람직하게는 가볍게 도핑된 반도체 물질로 구성된 유전체 층(19)을 포함하고, 애벌랜치 영역(3)은 이것으로 구성된다. 축적기들(5)과 정량화기들(4)은 서로 등거리로 이격되어 있는 것이 바람직하고, 0.5 ㎛보다 작지 않은 거리를 갖는다. 제 1 전극들(2)은 이 구조의 전체 동작 영역을 덮는 고체 전극을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제 1 전극들(2)은 개별적인 축적기들(5) 위의 조절기(6)와의 전기적 접촉을 제공하는 메시 전극으로 구성되는 것이 가능하다. 조절기(6)는 제 1 전극(2)의 메시 구조 아래에서 배타적으로 배치될 수 있다. 축적기들(5)은 서로 등거리로 이격될 수 있으며, 0.5 ㎛보다 작지 않은 거리를 갖는다. 축적기들(5)과 정량화기들(4)은 정다각형, 정사각형, 육각형, 또는 원 형태의 모양을 가질 수 있다.In FIG. 38B, as provided in FIG. 15D, the multi-channel device is composed of three avalanche amplifying structures having a lateral direction of the avalanche.
도 38C에서, 도 15C에서 제공된 바와 같이, 멀티-채널 디바이스는 애벌랜치의 측면 방향을 갖는 세 개의 애벌랜치 증폭 구조들(1)로 구성된다. 애벌랜치 증폭 구조들(1)은 제 1 전극(2), 조절기(6), 축적기(5), 애벌랜치 영역(3), 및 기판(7)을 포함하며, 이것들은 설명된 순서로 정렬된다. 제 2 전극(8)은 기판(7)의 반대방향에 있는 애벌랜치 영역(3)에 접촉하는 링-모양 구조이다. 정량화기(4)는 축적기(5)와 애벌랜치 영역(3) 사이에서 수직으로 배치되고, 그래서 두 소자들 간 접촉 영역은 링-모양 정량화기(4)를 제공한다. 제 2 전극(8)은 메시-타입 소자이고, 그래서 조절기(6) 및 축적기(5)와의 전기적 접촉은 없다. 애벌랜치 영역들(3)과 제 2 전극들(8)은 유전체 층(19)으로 덮히고, 그래서 각각의 애벌랜치 증폭 구조(1) 내의 조절기(6)에 전기적으로 접촉하는 제 1 전극(2)은 제 2 전극(8), 애벌랜치 영역(3), 및 축적기(5)와 어떠한 전기적 접촉도 갖지 않는다.In FIG. 38C, as provided in FIG. 15C, the multi-channel device consists of three
도 38D에서, 멀티-채널 디바이스는 애벌랜치의 측면 방향을 갖는 세 개의 애벌랜치 증폭 구조들(1)로 구성된다. 애벌랜치 증폭 구조들(1)은 제 1 전극(2), 조절기(6), 축적기(5), 기판(7), 및 제 2 전극(8)을 포함하며, 이것들은 설명된 순서로 정렬된다. 정량화기(4)는 축적기(5)와 축적기(5)를 둘러싸는 애벌랜치 영역(3) 사이에서 수직으로 배치되고, 그래서 두 소자들 간 접촉 영역은 링-모양 정량화기(4)를 제공한다. 유전체 층(19)이 제 3 전극(50)과 애벌랜치 영역(3) 사이에 제공된다. 제 2 유전체 층(19)이 또한 제 3 전극(50) 위에 제공되고 그리고 조절기들(6)에 접촉한다. 유전체 층들(9)은 제 1 전극(2)과 제 3 전극(50)을 이 구조를 구성하는 소자들로부터 전기적으로 절연시킨다. 제 3 전극(50)은 조절기들(6)에 접촉하지 않는다. 축적기들(5)과 조절기들(6)은 서로 등거리에 있고, 그 거리는 0.5 ㎛보다 작지 않다.In FIG. 38D, the multi-channel device is composed of three
도 38E에서, 멀티-채널 디바이스는, 도 1에서 제공된 바와 같이, 애벌랜치의 수직 방향을 갖는 세 개의 애벌랜치 증폭 구조들(1)로 구성된다. 애벌랜치 증폭 구조들(1)은 제 1 전극(2), 애벌랜치 영역(3), 애벌랜치 영역(3)과 축적기(5)의 인터페이스 사이에 배치되는 정량화기(4), 축적기(5), 조절기(6), 기판(7), 및 제 2 전극(8)을 포함하며, 이것들은 설명된 순서로 정렬된다. 제 1 전극(2), 제 2 전극(8), 축적기들(5) 및 조절기(6)는 0.5 ㎛보다 작지 않은 거리만큼 서로 떨어져 있다. 축적기들(5) 사이의 공간은 바람직하게는 가볍게 도핑된 반도체 물질로 구성된 유전체 층(19)을 포함하며, 애벌랜치 영역(3)은 이것으로 구성된다. 축적기들(5)과 정량화기들(4)은 서로 등거리에 있는 것이 바람직하고, 0.5 ㎛보다 작지 않은 거리를 갖는다. 제 1 전극들(2)은 이 구조의 전체 동작 영역을 덮는 고체 전극을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제 1 전극들(2)이 개별적인 축적기들(5) 위에 있는 조절기(6)와의 전기적 접촉을 제공하는 메시 전극으로 구성되는 것이 가능하다. 조절기(6)는 제 1 전극(2)의 메시 구조 아래에 배타적으로 배치될 수 있다. 축 적기들(5)은 서로 등거리로 이격될 수 있고, 0.5 ㎛보다 작지 않은 거리를 갖는다. 축적기들(5)과 정량화기들(4)은 정다각형, 정사각형, 육각형, 혹은 원 형태의 모양을 가질 수 있다. In FIG. 38E, the multi-channel device is composed of three
앞서의 설명을 통해, 본 발명을 사용하면 융통성이 매우 커지게 된다는 것을 알 수 있다. 본 발명이 비록 어떤 바람직한 실시예들을 참조로 매우 상세히 설명되었지만, 다른 실시예들도 가능하다. 따라서, 첨부되는 특허청구범위의 사상 및 범위가 본 명세서에 포함된 바람직한 실시예들의 설명에만 한정되어서는 안 된다.From the foregoing description, it can be seen that the use of the present invention increases the flexibility very much. Although the invention has been described in great detail with reference to certain preferred embodiments, other embodiments are possible. Accordingly, the spirit and scope of the appended claims should not be limited to the description of the preferred embodiments contained herein.
앞서 설명된 바로부터 명백한 바와 같이, 설명된 발명은 본 명세서에서 설명된 원리에 따라 동작하는 다양한 지능형 증폭 애벌랜치 구조를 포함한다. 디바이스들은 개별적 전자들과 광자들을 기록하고 카운팅할 수 있는 자기-포함적 고감도 기기로서 응용가능하다. 디바이스들은 또한 어레이 구성에서 응용가능하다. As will be apparent from the foregoing, the described invention includes various intelligent amplifying avalanche structures that operate according to the principles described herein. The devices are applicable as self-contained high sensitivity instruments capable of recording and counting individual electrons and photons. The devices are also applicable in array configurations.
따라서, 설명된 본 발명은 광검출기, 전자 증폭기, 화학적 및 생물학적 센서, 그리고 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 애플리케이션을 갖는 화학적 칩 및 생물학적 칩에서 사용될 것으로 예측된다. 본토 방위를 위해 중요한 디바이스들에 바로 응용가능하다. Accordingly, the described invention is expected to be used in chemical and biological chips with photodetectors, electronic amplifiers, chemical and biological sensors, and lab-on-a-chip applications. It is immediately applicable to devices that are important for mainland defense.
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