KR20090024620A - 세그먼트 포토다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 있어서, 세그먼트포토다이오드는, p형기판, p형기판 위에 형성된 p형에피택셜층, p형에피택셜층 위에 형성된 n형에피택셜층, 및 p형에피택셜층으로부터 떨어져 n형에피택셜층에 제공되고 감광성영역을 분리하는 p형분리영역을 포함하고, 역바이어스전압을 인가함으로써, p형분리영역과 p형에피택셜층 사이에 위치된 분리구역 바로 아래의 n형영역에 생성된 공핍층(제1공핍층)이, 감광성영역이 절연되도록 하기 위해 n형에피택셜층과 p형에피택셜층 사이의 접합면에 형성된 공핍층(제2공핍층)에 이르게 구성되도록 구성된다.
공핍층, 분리영역, n형영역, n형에피택셜층, p형에피택셜층

Description

세그먼트 포토다이오드{Segmented photodiode}
본 발명은 2차원적으로 다수의 영역으로 분리된, 수광할 수 있는 감광성영역을 가진 세그먼트 포토다이오드에 관한 것이다.
본 출원은 일본 특허출원 제2007-228800호를 기초로 하고 이의 내용은 여기에 참조로 통합된다.
CD(compact disk), DVD(digital video disc) 등과 같은 광디스크에 저장된 정보를 읽어내는 광픽업장치에 있어서, 디스크는 레이저빔으로 조사되고 반사광은 포토다이오드로 감지되어 정보를 읽어내기 위한 처리를 실행한다.
예를 들어, 일본 공개특허공보 평5-145107호(1993)는 각각의 애노드영역과 결합되도록 하기 위해 기판의 표면에서 연장된 p+형애노드영역 하에 형성된 n형웰영역을 가지고, 입사광에 대해 민감도를 높이고 각 다이오드 사이의 코로스토크의 방지를 개선하는 공통 캐소드 포토다이오드를 개시한다.
일본 공개특허 공보 제2001-135849호는 p+표면확산층이 벨트영역을 포함하는 기설정된 패턴을 가진 n형반도체층에 형성되어 PN접합영역을 상당히 증가시키지 않고 반도체층에 생성된 캐리어의 확산주행시간을 감소시키고 n+확산층이 p+표면확산 층의 벨트영역 사이에 배치되어 캐소드저항을 감소시키는 포토다이오드를 개시한다.
한편, 복수의 분리된 광감지영역으로 구성된 감광성영역을 가진 세그먼트 포토다이오드가 광픽업프로세스에서 신호를 탐지하기 위한 장치로 최근 사용되고 있다. 이러한 세그먼트 포토다이오드는 세그먼트 감광성영역의 각 포토억셉터유닛과는 다른 신호를 기초로 디포커싱신호(defocusing signal) 또는 트래킹에러신호(tracking error signal)를 더 잘 탐지할 수 있다. 결과적으로, 복수의 다른 광디스크의 정확한 재생은 이러한 기술을 사용하여 이루어질 수 있다.
일본 공개특허공보 제2000-82226호는, 예를 들어, 통상의 종래 세그먼트포토다이오드를 개시한다. 일본 공개특허공보 제2000-82226호에 개시된 세그먼트포토다이오드가 도 7에서 보인다. 이런 세그먼트포토다이오드는 각각이 4개의 영역으로 분리된 감광성영역(200, 201, 202)을 가진다.
이러한 세그먼트포토다이오드는 포토다이오드 및 포토다이오드로부터의 신호를 증폭하는 집적회로로 구성되고 이들 모두는 하나의 실리콘기판에 형성된다.
디스크에 의해 반사된 광은 도 7에 보이는 각각의 분리된 감광성영역 외에 분리된 표면으로 들어간다. 또한, 광디스크로부터 읽어 내거나 쓰는 비율의 증가로 인해 세그먼트포토다이오드를 위한 신속한 응답이 요구된다. 따라서, 분리된 표면으로 들어간 광을 위한 신속한 응답이 포토다이오드에 대해 요구된다.
일본 공개특허공보 평9-153605호(1997) 및 일본공개특허공보 평10-270744호(1998)는 또한 일본 공개특허공보 제2000-82226호에 개시된 세그먼트포토다이오 드와 유사한 분리된 감광성영역을 가진 포토다이오드를 개시한다.
그러나, 상술한 공보에 개시된 종래 기술은 다음의 점에서 개선이 필요하다.
일본공개특허공보 평9-153605호에 개시된 세그먼트포토다이오드의 단면도는 도 8a에 보인다. 이러한 세그먼트포토다이오드(100)의 단면도는 감광성 영역들(D1, D2, D3, 및 D5)에 대응하는 영역을 나타내기 위해 보여진다. p형절연확산층(5, 조각)은 n형에피택셜층(4)을 관통해 p형반도체기판(1)에 매립된다.
포토다이오드의 이런 구조의 경우에 있어서, 어떠한 공핍층도 분리구역 주위에서 생성되지 않고 전계가 걸리지 않은 영역이 존재한다. 결과적으로 분리구역의 응답은 n형에피택셜층(4)에 대해 열화된다.
도 8b는 일본 공개특허공보 평9-153605호에 개시된 세그먼트포토다이오드에 포토캐리어의 움직임을 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 도 8b에 나타낸 화살표는 전류의 방향을 나타내고 포토캐리어로 제공된 전자는 화살의 반대방향으로 이동한다. 도 8b에서 보이는 바와 같이, “공핍층가장자리”로 지시되는 선들이 분리구역의 양 측에 표시되고 어떤 공핍층도 분리구역 및 이 주변 바로 아래에서 생성되지 않는다.
일본공개특허공보 평10-270744호에 개시된 세그먼트포토다이오드의 단면도가 도 8c에서 보인다. 일본공개특허공보 평10-270744호에 개시된 세그먼트포토다이오드의 구조는 일본공개특허공보 평9-153605호에 개시된 세그먼트포토다이오드의 높은 고유저항을 가진 에피택셜층을 채택함으로써 포토다이오드의 직렬저항이 증가된다는 문제점을 개선한다. 그러나, 이러한 구조의 분리구역에 있어서, p형절연확산 영역(5, 분리구역)은 n형에피택셜층(4)을 관통해 높은 고유저항을 가지는 p형반도체기판(11)에 매립된다. 결과적으로, 일본 공개특허공보 평9-153605호의 구조에서와 유사하게, 어떠한 공핍층도 분리구역 및 이 주변 바로 아래에서 생성되지 않는다고 생각된다.
상술한 바와 같이 p형분리영역 및 이의 주변 바로 아래에서 어떠한 공핍층도 생성되지 않고 전계가 걸리지 않는 영역이 종래 세그먼트포토다이오드들에 존재하기 때문에, 분리구역으로 들어온 광에 의해 p형반도체층에서 생성된 캐리어가 분리구역 바로 아래에서 확산을 통해 이동한다. 결과적으로, 드리프트속도가 감소되어 응답속도가 감소된다.
본 발명자는 분리영역 바로 아래의 공핍층 및 분리영역 바로 아래 주변을 연장함으로써 세그먼트포토다이오드의 향상된 응답속도를 개시한다.
본 발명의 일면에 따르면, 수광할 수 있고, 2차원적으로 다수의 영역으로 분리된 감광성영역을 가진 세그먼트포토다이오드에 있어서, 제1도전형기판; 상기 기판 상에 형성된 제1도전형의 제1반도체층; 상기 제1반도체층 상에 형성된 제2도전형의 제2반도체층; 및 상기 제1반도체층과 이격되어 상기 제2반도체층에 제공되고 상기 감광성영역의 분리를 제공하는 제1도전형의 분리구역을 포함하고, 제1공핍층은 역바이어스전압의 인가에 의해 상기 분리구역과 상기 제1반도체층 사이에 형성되고, 상기 제1공핍층은 상기 감광성영역이 절연되도록 하기 위해 상기 제2반도체층 및 상기 제1반도체층 사이의 접합면에 형성된 제2공핍층에 이르도록 구성된 세그먼트포토다이오드가 제공된다.
본 발명의 상술한 면에 따르면, 제1도전형의 분리구역은 제1도전형의 제1반이격되어 제2도전형의 제2반도체층에 제공된다. 이것은 장치의 동작시 분리구역과 제1반도체층 사이에서 제1공핍층을 형성하게 하고 제1반도체층과 제2반도체층의 PN접합에 의해 생성된 접합면에서 형성된 제2공핍층에 도달하게 하여 감광성영역에서 절연되게 한다. 또한, 분리구역이 제1반도체층에 도달하지 않기 때문에, 제2공핍층이 분리구역 바로 아래에서 끊어지지 않고 PN접합의 전체 영역에 대해 연장되어 큰 감광성영역을 제공하게 한다. 결과적으로, 세그먼트포토다이오드의 응답속도가 세그먼트포토다이오드의 기능을 유지하면서 개선될 수 있다.
여기서, 예를 들어, "제1도전형"은 p형일 수 있고 "제2도전형"은 n형일 수 있으며, 반대로, "제1도전형"이 n형일 수 있고, "제2도전형"이 p형일 수 있다.
본 발명에 있어서, 분리구역은 그 안에 확산된 제1도전형의 불순물을 포함하는 확산층으로 구성되도록 구성될 수 있다. 확산층은 기설정된 영역에서 불순물을 확산함으로써 생성된 영역을 의미한다.
또한, 본 발명에 있어서, 감광성영역은 제1반도체층과 제2반도체층의 계면에 형성된 PN접합을 의미한다.
또한, 본 발명에 있어서, 감광성영역은 분리구역에 의해 절연되는 복수의 작은 영역으로 구성될 수 있고, 제2공핍층은 감광성영역의 전체 영역에 대해 형성될 수 있다. 이것은 캐리어가 고속으로 이동할 수 있게 하고 응답속도를 개선한다.
본 발명에 따르면, 개선된 응답속도를 가진 세그먼트포토다이오드가 개시된다.
본 발명의 상술한 및 다른 목적, 이점 및 특징들이 첨부 도면과 함께 이하의 바람직한 실시예의 설명으로부터 보다 분명하게 될 것이다.
본 발명은 이제 실시예를 참조로 여기에 개시될 것이다. 본 기술분야의 숙련자들은 본 발명의 개시를 이용해 많은 변형예가 이루어질 수 있고 본 발명은 설명을 위해 제시된 실시예에 한정되지 않는 것을 인식할 것이다.
본 발명에 따른 실시예가 첨부도면을 참조로 이하에서 상세히 설명될 것이다. 모든 도면에 있어서, 동일한 부호는 도면들에서 공통적으로 나타나는 구성요소에 대해 정해지고 이의 상세한 설명은 반복되지 않을 것이다.
도 1a 및 1b는 본 실시예의 세그먼트포토다이오드를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1a는 본 실시예의 세그먼트포토다이오드를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 도 1b는 도 1a에 보이는 A-A 라인에 따른 단면도이다.
본 실시예의 세그먼트포토다이오드는 수광용 감광성영역을 구비하고, 2차원적으로 4개의 분리된 영역으로 분리된 세그먼트포토다이오드이다. 분리된 영역의 각각은 도 1b에서 보이는 바와 같이 각각 증폭기(110)에 접속된다. 이 세그먼트포토다이오드는 p형기판(109), p형기판(109) 상에 형성된 p형에피택셜층(101), p형에피택셜층(101) 상에 형성된 n형에피택셜층(103), 및 n형에피택셜층(101)으로부터 분리되어 n형에피택셜층(103)에 제공되고 감광성영역을 분리하는 p형분리영역(107)을 구비한다.
또한, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드는 p형분리영역(107)과 p형에피택셜층(101) 사이에 위치된 분리구역 바로 아래에서 n형영역(106)이 역바이어스전압을 인가함으로써 공핍되고 분리구역 바로 아래의 n형영역(106)에 생성된 공핍층(제1공핍층)이 n형에피택셜층(103)과 p형에피택셜층(101) 사이의 접합면에 형성된 공핍층(제2공핍층)에 도달하게 구성되어 분리된 영역들이 서로 절연되도록 구성된다. 각각의 분리된 영역들에 각각 접속된 증폭기들(110)에 의해 역바이어스전압이 인가된다. 분리된 영역들의 각각은 서로 절연된 포토다이오드로 동작한다.
또한, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드는 2차원적으로 분리된 감광성영역을 둘러싸는 p형절연영역(108)을 더 구비한다. p형절연영역(108)은 p형에피택셜층(101)의 표면 및 n형 에피택셜층(103)의 표면에 제공된다. p형절연영역(108)은 p형에피택셜층(101)의 표면 및 n형에피택셜층(103)의 표면을 분리하지 않고 연속적으로 제공된다.
또한, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드는 p형절연영역(108) 및 p형기판(109)이 공통 애노드를 형성하도록 구성된다.
p형분리영역(107)은 그 안에 확산된 p형불순물을 포함하는 p형확산층(104)으로 구성된다. p형확산층(104)은 기설정된 영역에 p형불순물을 확산함으로써 생성된다. 일반적인 p형불순물은 붕소를 포함한다.
또한, p형절연영역(108)은 p형에피택셜층(101)에 제공된다. 이것은 그 안에 확산된 p형불순물을 포함하는 p형확산층(104) 및 n형에피택셜층(103) 및 p형에피택셜층(101) 내에 매립된 p형매립층(102)을 포함한다. p형절연영역(108)에 있어서, p형확산층(104)은 p형매립층(102)에 연결된다.
p형절연영역(108)은 포토다이오드의 기판전위를 얻는다. p형매립층(102)의 존재는 p형절연영역(108) 아래 공핍층을 형성하지 않고 세그먼트포토다이오드의 기판전위를 얻게 한다. 결과적으로, 공핍층의 생성으로 인한 포토다이오드의 직렬저항이 증가하지 않고 포토다이오드의 개선된 주파수특성이 얻어질 수 있다.
또한, 그 안에 확산된 n형불순물을 포함하는 n형확산층(105)은 본 실시예의 세그먼트포토다이오드에서 n형에피택셜층(103)의 표면에 제공된다. n형확산층(105) 은 기설정된 영역에 n형불순물을 확산함으로써 생성된다. 일반적인 n형불순물은 인과 비소이다.
감광성영역은 p형분리영역(107)에 의해 절연된 4개의 작은 영역으로 구성된다. 공핍층은 감광성영역의 전체 영역에 대해 형성된다.
p형분리영역(107)은 2차원에서 볼 때 십자형이고 2차원적으로 감광성영역을 4개의 영역으로 분리한다. 이것은 감광성영역의 4개의 분리된 영역을 제공하여 포커스에러신호가 비점수차(astigmatism) 프로세스에 의해 얻어질 수 있게 한다. p형분리영역(107)의 배치는 적절히 설계되어 감광성영역의 분리가 목적에 따라 적절히 이루어질 수 있게 한다.
또한, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드는 복수의 감광성구조유닛을 포함하고, 이들 각각은 감광성영역 및 감광성영역을 둘러싸는 p형절연영역(108)을 구비한다.
감광성구조유닛의 전기량은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드의 감광성영역은 십자형의 p형분리영역(107)에 의해 4개의 구역으로 분리된다. 결과적으로, 3개의 감광성구조유닛의 사용은 12개 부분으로 분리된 감광성영역을 제공한다. 3개의 감광성구조유닛의 사용은 3-빔 기술(3-스폿 기술)에 의해 트래킹에러신호를 포함하게 한다. 3개의 감광성구조유닛은 예를 들어 직선을 따라 배열될 수 있다.
분리구역 바로 아래에 n형영역(106)의 두께가 설계될 수 있고, 분리구역 바로 아래의 n형영역(106)은 역바이어스전압을 인가함으로써 공핍되어 n형에피택셜 층(103) 및 p형에피택셜층(101)의 접합면에 형성된 공핍층에 이른다. 예를 들어, n형 에피택셜층(103)의 불순물농도가 5×1015㎝-3이 되도록 선택되고 p형에피택셜층(101)의 불순물농도가 1×1014㎝-3가 되도록 선택되는 조건하에서, 2.1V의 역바이어스전압이 인가되는 경우, 분리구역 바로 아래의 n형영역(106)에 형성되는 공핍층(제1공핍층)은 n형에피택셜층(103)의 표면으로부터 2.0㎛의 위치에 도달하고, n형에피택셜층(103)과 p형에피택셜층(101)의 접합면에 생성된 공핍층(제2공핍층)은 이러한 접합면으로부터 상위 1.0㎛의 위치에 도달하다. 이러한 경우에 있어서, n형에피택셜층(103)의 두께가 3.0㎛ 이하가 되도록 선택하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 이의 실제사용을 고려하여 2.5㎛가 되도록 선택한다. 이것은 제1공핍층 및 제2공핍층을 연결하여 감광성영역의 분리를 제공한다.
이어서, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드의 동작이 설명될 것이다. 이러한 세그먼트포토다이오드에 있어서, p형에피택셜층(101) 및 p형절연영역(108)은 애노드들로 기능하고 n형확산층(105) 및 n형에피택셜층(103)은 캐소드들로 기능한다.
본 실시예의 세그먼트포토다이오드가 동작하는 경우, 애노드로 제공된 p형 절연영역(108)의 p형확산층(104)은 접지되고, 약 2.1V의 역바이어스가 캐소드로 제공된 n형에피택셜층(103)에 인가된다. 이러한 바이어스전압은 p형에피택셜층(101)과 n형에피택셜층(103)의 PN접합이 전계가 인가되는 조건에서 공핍층을 생성하게 한다.
이러한 경우에 있어서, p형분리영역(107)은 n형에피택셜층(103)에 매립되어 이의 바닥면이 n형에피택셜층(103)을 관통하지 않고 n형에피택셜층(103)과 접촉하게 된다. 결과적으로, 이것은 공핍층이 p형분리영역(107)에 의해 분리되지 않고 p형절연영역(108)의 내부에 위치되는 PN접합의 전체 영역에 대해 형성되게 한다.
또한, p형분리영역(107)이 p형에피택셜층(101)의 표면 위에 제공되기 때문에, 공핍층은 또한 p형분리영역(107)의 p형확산층(104) 바로 아래에서 분리구역 바로 아래의 n형영역(106)에 생성된다. 이것은 이의 바로 아래 위치에 애노드와 캐소드 사이에 인가된 전압에 의해 생성된 전계가 연장되게 한다. 결과적으로, p형에피택셜층(101)과 n형에피택셜층(103)의 인터페이스로 구성된 감광성영역이 동작시 2차원적으로 분리된다.
따라서, 감광성영역은 4개의 영역으로 전기적으로 분리된다. 또한, p형절연영역(108) 및 p형기판(109)은 공통 애노드로 제공된다. 이 “공통 애노드”는 세그먼트포토다이오드의 각각의 캐소드들이 전기적으로 절연되어 있고 애노드들은 서로 전기적으로 연결되어 있다는 것을 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 각 포토다이오드들의 애노드들은 그라운드(GND)에 고정된다.
다음으로, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드를 제조하기 위한 프로세스가 도 2a 내지 2c를 참조로 하여 설명될 것이다. p형에피택셜층(101)은 실리콘기판으로 구성된 p형기판(109)에서 성장된 후, p형매립층(102)이 p형절연영역(108)을 생성하기 위한 위치에 형성된다. 이러한 경우에 있어서, p형매립층(102)은 p형분리영역(107)을 생성하기 위한 위치에는 형성되지 않는다(도 2a). 다음으로, n형에피택셜층(103)이 성장된다. 이러한 경우에 있어서, p형절연영역(108)의 p형매립층(102) 이 열확산을 통해 n형에피택셜층(103)의 영역으로 연장된다(도 2b). 다음으로, 표면으로부터 이온주입공정과 같은 공정 등이 실시되어 p형확산층(104)을 형성하고 p형분리영역(107) 및 p형절연영역(108)을 생성한다(도 2c).
바이폴라트랜지스터들을 포함하는 집적회로를 제조하기 위한 공정의 일부 또는 전체의 제조공정 동안이나 전 및/또는 후에, 레지스터 등이 부가적으로 포함될 수 있다.
또한, p형확산층(104)이 형성되는 경우, n형에피택셜층(103)의 두께가 너무 얇게 되어 p형확산층(104)이 p형에피택셜층(101)에 도달하게 되는 경우가 종종 발생한다. 이러한 경우에 있어서, 이온주입공정에서 가속되는 에너지를 적절히 제어함으로써 p형절연영역(108)에 대한 p형확산층(104)과 비교하여, p형분리영역(107)에 대해 p형확산층(104)이 얇게 되도록 형성될 수 있다. 이러한 절차는 본 실시예의 세그먼트포토다이오드를 제조하게 한다.
다음으로, 본 실시예의 구성을 실시함으로써 얻어질 수 있는 이점이 설명될 것이다. 본 실시예의 세그먼트포토다이오드에 따르면, p형분리영역(107)의 저면이 n형에피택셜층(103)과 접촉하도록 제공된다. 이것은 장치가 동작하는 경우 제1공핍층이 p형분리영역(107)과 p형에피택셜층(101) 사이에 형성될 수 있게 하고, 제1공핍층이 p형에피택셜층(101)과 n형에피택셜층(103)의 PN접합에 의해 생성된 접합면에 형성된 제2공핍층에 도달하게 하여 감광성영역에서 절연되게 한다.
또한, p형분리영역(107)의 어떠한 부분도 n형에피택셜층(103)을 관통하여 p형에피택셜층(101)에 도달하지 않게 한다. 이것은 p형에피택셜층(101)과 n형에피택 셜층(103) 사이의 PN접합에 의해 생성된 공핍층이 p형분리영역(107) 바로 아래 위치 및 p형분리영역(107) 바로 아래 위치의 주변으로 연장되게 하여 감광성영역의 증가된 2차원 영역을 제공한다.
또한, 본 실시예에 있어서, 감광성영역은 p형분리영역(107)에 의해 절연된 4개의 작은 영역으로 구성된다. 한편, 공핍층은 감광성영역의 전체 영역에 대해 형성된다. 공핍층의 넓은 영역은 광의 입사에 의해 생성된 캐리어가 고속으로 주행하게 한다.
따라서, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드의 구성에 따르면 세그먼트포토다이오드를 위한 기능을 유지하면서 세그먼트포토다이오드의 응답속도가 개선된다.
도 3a 및 3b는 본 실시예의 비교의 목적으로 세그먼트포토다이오드의 비교예를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3a 및 3b에서는 종래 세그먼트포토다이오드의 감광성 표면의 (도 7의 B-B라인에 따른) 단면이 보인다. p형에피택셜층(101) 및 p형절연영역(108)은 애노드로 기능하고 n형확산층(105) 및 n형에피택셜층(103)은 포토다이오드를 구성하는 캐소드로 기능한다. 또한, n형확산층(105) 및 n형에피택셜층(103)으로 구성된 캐소드는 p형분리영역(107)에 의해 분리되어 분리된 영역을 가지는 포토다이오드를 형성한다.
이러한 p형분리영역(107)은 도 3a에 보이는 바와 같이, p형확산층(104) 및 p형매립층(102)으로 구성되거나 도 3b에 보이는 바와 같이 p형확산층(104)만으로 구성될 수 있다.
도 3a에 보이는 비교예에서의 세그먼트포토다이오드를 제조하는 공정은 도 4a 내지 4c에 도시된다. p형에피택셜층(101)은 반도체기판(미도시)에서 성장되고 p형매립층(102)은 p형절연영역(108)을 형성하기 위한 위치에 형성된다. 다음으로, n형에피택셜층(103)이 성장된다. 이러한 경우에 있어서, p형매립층(102)은 열확산을 통해 n형에피택셜층(103)의 영역으로 연장된다. 다음으로 표면으로부터 이온주입공정과 같은 공정 등이 실시되어 p형절연영역(108) 및 p형분리영역(107)에서 p형확산층(104)을 형성하고, p형분리영역(107) 및 p형절연영역(108)을 생성한다.
p형절연영역(108)에서 p형확산층(104)이 p형매립층(102)의 상단보다 깊게 되도록 형성된다. 또한, p형매립층(102)은 p형확산층(104)과 결합된다. p형절연영역(108)은 n형에피택셜층(103)이 p형확산층(104) 및 p형매립층(102)에 의해 절연되도록 구성된다.
이러한 포토다이오드의 동작에 있어서, 애노드는 접지되고 약 2.1V의 역바이어스가 캐소드에 인가된다. 이러한 바이어스전압은 p형에피택셜층 및 n형에피택셜층이 전계가 인가된 조건에서 공핍층을 생성하게 하여 생성된 캐리어가 고속으로 이동할 수 있다.
도 3a 및 3b에 보이는 바와 같이, p형분리영역(107)은 비교예의 포토다이오드에서 그 표면으로부터 p형에피택셜층(101)을 관통해 연장된다. 따라서, p형분리영역(107) 그 자체에서 PN접합이 존재하지 않고 따라서, 바이어스전압으로 인한 어떠한 공핍층도 생성되지 않고 전계도 생성되지 않는다. p형분리영역(107)이 광으로 조사되는 경우 응답특성이 열화하는 이유는 p형분리영역(107) 아래에 p형에피택셜층(101)에서 생성된 캐리어가 p형분리영역(107) 주위를 우회한 다음 PN접합의 공핍 층의 끝에 도달하기 때문이다. PN접합이 n형에피택셜층(103)과 p형에피택셜층(101)의 인터페이스로 형성된다. 따라서, p형분리영역(107) 아래에 생성된 포토캐리어가 공핍층의 끝에 도달할 때까지 확산을 통해 이동할 것이 요구된다. 확산을 통한 드리프트속도는 느려서 응답특성을 열화하게 한다.
도 5a 및 5b는 비교예의 세그먼트포토다이오드를 사용하여 얻은 주파수응답의 결과를 보인다. 도 5a는 광의 조사면을 나타내는 도면이다. 표시“Ⅰ"는 n형확산층(105)의 표면을 나타낸다. 표시“Ⅱ”는 p형분리영역(107)의 표면을 나타낸다. 도 5b는 주파수응답의 결과를 보여주는 그래프이다. 그래프의 세로좌표는 게인(2㏈/dv)을 나타내고 가로좌표는 주파수를 나타낸다. 주파수응답의 측정은 2.1V의 역바이어스전압, 50Ω의 로드저항, 및 780㎚의 광파장의 조건 하에서 실시되었다.
저주파수에서 게인과 비교해 볼 때 게인이 3㏈이 감소된 컷오프주파수가 주파수로 결정된다. 도 5b로부터 알 수 있는 바와 같이, 영역“Ⅰ”가 광으로 조사되는 경우 컷오프주파수는 약 200㎒이고, 한편,“Ⅱ”에 의해 표시되는 p형분리영역(107)이 광으로 조사되는 경우 컷오프주파수는 약 50㎒이다. 따라서, p형분리영역(107)에서 응답특성이 열화되는 것을 알 수 있다.
780㎚의 파장을 가지는 광을 사용해 컴팩트디스크(CD)의 시스템에 사용된 신호의 주파수는 최대레이트에서 0.72㎒이고, 2배속읽기에서는 1.44㎒이고 4배속읽기에서는 2.88㎒이다. 따라서, 저주파수로부터 36㎒까지 일정한 게인이 50배속읽기CD시스템을 위해 사용되는 포토다이오드를 위해 요구된다. 그럼에도 불구하고, 비교예의 포토다이오드의 게인은 약 2㏈ 감소된다. 따라서, 비교예의 포토다이오드가 50배속읽기CD시스템을 위해 사용되는 경우, 이러한 게인의 열화로 인해 일반재생신호가 얻어지지 않을 수도 있다.
도 6a 내지 6c는 본 실시예의 세그먼트포토다이오드 및 비교예의 포토다이오드의 이점을 설명하는데 유용한 다이아그램을 포함한다.
도 6a는 실시예의 전위분포의 다이아그램이다. 도 6b는 비교예의 전위분포의 다이아그램이다. 도 6c는 감광성표면으로부터의 거리와 전위의 관계를 보여주는 그래프이다. 그래프의 세로좌표는 전위(V)를 나타내고 가로좌표는 감광성표면으로부터의 거리(㎛)를 나타낸다. 본 실시예의 비분리영역의 라인Ⅰ에 따른 단면 및 분리영역의 라인Ⅱ에 따른 단면과 비교예의 분리영역의 라인Ⅲ에 따른 단면이 각각 보인다.
도 6b에서 보이는 바와 같이, 비교예의 포토다이오드의 경우에 있어서, p형 분리영역(107) 바로 아래 위치와 p형분리영역(107) 주위의 위치 모두에 전위가 분포되지 않는다. 공핍층의 끝은 p형분리영역(107)에 대해 통과하도록 p형분리영역(107)의 양측에만 존재한다. 공핍층은 p형분리영역(107) 및 이의 주변 바로 아래에 생성된다. p형에피택셜층(101)과 n형에피택셜층(103) 사이에 형성된 PN접합에 생성된 공핍층은 p형분리영역(107)에 의해 절연된다. 따라서, 광에 대한 응답기능은 n형확산층(105)과 비교해 볼 때 p형분리영역(107) 및 이의 주변에서 열화된다.
라인Ⅲ에 따른 단면에서의 전위분포는 도 6c의 그래프에서 보인다. Ⅲ의 단면에 있어서, 어떠한 구배도 전위에서 존재하지 않고 실질적으로 어떠한 전계도 인가되지 않는다. 인가된 전계 없이 이러한 영역에 있어서, 캐리어는 확산만으로 이 동될 수 있다. 그 결과, 스펙트럼에서의 감소문제가 공핍층을 가진 n형에피택셜층(103) 바로 아래 위치와 비교해 볼 때, 공핍층없이 p형분리영역(107) 바로 아래 위치에서 생성된다.
한편, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드의 전위분포의 결과에 따르면, p형분리영역(107) 및 그 아래의 바닥면 주위의 위치에 전위가 인가되어 공핍층이 넓어진다는 것을 도 6a로부터 알 수 있다. p형에피택셜층(101) 및 n형에피택셜층(103) 사이에 형성된 PN접합에서 생성된 공핍층은 p형분리영역(107)에 의해 절연되지 않고 표면배향을 따라 전체 영역에 대해 세그먼트포토다이오드의 층 내에 연장된다. 한편, 공핍층의 끝은 비교예에서 p형분리영역(107)의 양측에만 존재하지만, 본 실시에의 세그먼트포토다이오드는 p형분리영역(107) 바로 아래 위치에 연장되는 공핍층의 끝을 나타낸다. 또한, 감광성영역으로 제공되는 PN경계는 절연되지만 p형분리영역(107)의 방해를 받지 않고 따라서, 본 실시예에서의 PN경계는 비교예와 비교해 볼 때 더 연장된다.
도 6c의 그래프는 라인Ⅱ에 따른 단면에서 전위분포를 나타낸다. 전위의 구배는 라인Ⅱ에 따른 횡단구역에서 생성되고 따라서, 일정 레벨 이상의 전압이 인가되어 p형분리영역(107) 바로 아래의 위치에 전계가 인가되게 한다. 따라서, 전계에 의해 p형분리영역(107) 바로 아래의 p형에피택셜층(101)에 생성된 캐리어(홀)는 고속으로 이동할 수 있고 이것은 p형분리영역(107)으로 광조사시 세그먼트포토다이오드의 스펙트럼의 감소를 방지한다.
또한, 도 6a에서 보이는 바와 같이, n형에피택셜층(103)은 p형분리영역(107) 에 의해 분리된다. p형분리영역(107)의 바닥면이 n형에피택셜층(103)과 접촉하고 있기 때문에, 역바이어스가 p형에피택셜층(101) 및 n형에피택셜층(103)에 인가되어 분리구역들 바로 아래 n형영역(106)에서 공핍층을 생성하고 이 공핍층은 이후 p형에피택셜층(101) 및 n형에피택셜층(103) 사이에 형성된 PN접합에 의해 생성되는 다른 공핍층과 결합된다. 이것은 p형매립층(102)이 p형분리영역(107)에 제공되지 않더라도, 동작시 세그먼트포토다이오드로써 기능하게 한다. 따라서, 디포커스신호 및/또는 트래킹에러신호는 적절히 탐지될 수 있다.
상술한 바와 같이, p형에피택셜층(101) 및 n형에피택셜층(103) 사이의 PN접합에 의해 생성된 공핍층은 p형분리영역(107)의 주변에서 절연되지 않고 p형절연영역(108)에 의해 둘러싸인 PN접합면의 전체 면에 대해 연속하여 펼쳐진다. 따라서, p형에피택셜층(101)에 생성된 캐리어는 p형분리영역(107) 바로 아래 위치에서도 연장된 공핍층 내의 드리프트에 의해 이동할 수 있다. 또한, 비교예의 포토다이오드의 경우와 비교해 볼 때, 확산에 의해 이동하는 캐리어가 p형분리영역(107) 주위를 우회하도록 하는 공간이 줄어든다. 이것은 감광성영역을 크게 만들고, 개선된 응답특성을 제공하며, 세그먼트포토다이오드의 응답속도를 높인다.
본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조로 하여 상술한 바와 같이 개시되었지만, 본 발명의 설명을 위해서만 이러한 실시예들을 설명한 것이고 상술한 이외의 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 세그먼트포토다이오드는 광검출기를 구성할 수 있다. 이러한 광검출기는 반도체레이저소스에 의해 방출되고 광디스크에 저장된 데이터를 탐지하는 복수의 독립된 감광성영역에 의해 CD, DVD, CD-ROM, DVD-ROM 등과 같은 광디스크에 의해 반사된 갈라진 광빔을 수광할 수 있다.
또한, 이러한 광검출기는 CD플레이어, DVD플레이어 등과 같은 광재생유닛의 구성요소로서 사용될 수 있다.
npn트랜지스터 등과 같은 회로소자는 세그먼트포토다이오드의 영역을 제외한 구역에서 p형반도체기판의 표면에 제공될 수 있다. 이러한 회로는 p형절연영역(108)을 통해 세그먼트포토다이오드로부터 절연될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 제한되지 않고 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 수정되고 변경될 수 있다는 것은 분명하다.
도 1a 및 1b는 본 실시예에 따른 세그먼트포토다이오드를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 1a는 본 실시예에 따른 세그먼트포토다이오드를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 1b는 도 1a에서 A-A라인에 따른 단면도이다.
도 2a 내지2c는 실시예에 따른 세그먼트포토다이오드를 제조하기 위한 예시적인 프로세스를 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 3b는 비교예의 세그먼트포토다이오드를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4a 내지 4c는 비교예의 세그먼트포토다이오드를 제조하는 예시적인 프로세스를 나타내는 단면도이다.
도 5a는 광이 조사되는 표면을 나타내는 도면이고, 도 5b는 주파수응답의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6a 내지 6c는 본 실시예의 세그먼트포토다이오드의 유리한 이점을 설명하는데 유용한 도면이고, 도 6a는 본 실시예의 전위분포의 도면이고, 도 6b는 비교예의 전위분포의 도면이고, 도 6c는 감광성표면으로부터의 거리와 전위와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래 세그먼트포토다이오드를 나타내는 개략도이다.
도 8a 내지 8c는 종래 세그먼트포토다이오드를 나타내는 개략도이고, 도 8a는 종래 세그먼트포토다이오드를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 8b는 종래 세그먼트포토다이오드를 설명하는데 유용한 다이아그램이고, 도 8c는 종래 세그먼 트포토다이오드를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
101 : p형에피택셜층 102 : p형매립층
103 : n형에피택셜층 104 : p형확산층
105 : n형확산층 106 : n형영역
107 : p형분리영역 108 : p형절연영역
109 : p형기판 110 : 증폭기

Claims (10)

  1. 수광할 수 있고, 2차원적으로 다수의 영역으로 분리된 감광성영역을 가진 세그먼트포토다이오드에 있어서,
    제1도전형기판;
    상기 기판에 형성된 제1도전형의 제1반도체층;
    상기 제1반도체층에 형성된 제2도전형의 제2반도체층; 및
    상기 제1반도체층과 이격되어 상기 제2반도체층에 제공되고 상기 감광성영역의 분리를 제공하는 제1도전형의 분리구역을 포함하고,
    제1공핍층은 역바이어스전압의 인가에 의해 상기 분리구역과 상기 제1반도체층 사이에 형성되고,
    상기 제1공핍층은 상기 감광성영역이 절연되도록 하기 위해 상기 제2반도체층 및 상기 제1반도체층 사이의 접합면에 형성된 제2공핍층에 이르도록 구성된 세그먼트포토다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분리구역은 그 안에 확산된 제1도전형의 불순물을 포함하는 제1확산층으로 구성된 세그먼트포토다이오드.
  3. 제2항에 있어서, 2차원적으로 분리된 상기 감광성영역을 둘러싸는 제1도전형의 분리유닛을 더 포함하고, 상기 분리유닛은 상기 제1반도체층의 표면 및 상기 제 2반도체층의 표면에 제공되는 세그먼트포토다이오드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분리유닛 및 상기 기판은 공통 애노드를 구성하는 세그먼트포토다이오드.
  5. 제3항에 있어서, 그 안에 제공된 복수의 구조유닛을 더 포함하고, 상기 구조유닛은 상기 감광성영역 및 상기 감광성영역을 둘러싸는 상기 분리유닛으로 구성된 세그먼트포토다이오드.
  6. 제4항에 있어서, 그 안에 제공된 복수의 구조유닛을 더 포함하고, 상기 구조유닛은 상기 감광성영역 및 상기 감광성영역을 둘러싸는 상기 분리유닛으로 구성된 세그먼트포토다이오드.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리유닛은 상기 제2반도체층에 제공되고, 그 안에 확산된 제1도전형의 불순물을 포함하는 제1도전형의 제1확산층, 및 상기 제2반도체층 및 상기 제1반도체층에 매립된 제1도전형의 매립층을 포함하고,
    상기 제1도전형의 제1확산층은 상기 분리유닛에서 상기 제1도전형의 매립층에 연결되는 세그먼트포토다이오드.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 그 안에 확산된 제2도전형의 불순물을 포함하는 제2도전형의 제2확산층은 상기 제2반도체층의 표면에 제공되는 세그먼트포토다이오드.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광성영역은 상기 분리구역에 의해 전기적으로 절연된 복수의 작은 영역으로 구성되고,
    상기 제2공핍층은 상기 감광성영역의 전체 영역에 대해 형성된 세그먼트포토다이오드.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리구역은 2차원에서 볼 때 십자형이고, 상기 감광성영역을 2차원적으로 4개의 구역으로 분리하는 세그먼트포토다이오드.
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