KR20110073493A - 나노구조 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반대 전도 유형을 갖는 반도체 재료들로 제조되는 제 1 및 제 2 영역들(2)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 p-i-n 또는 pn 접합을 포함하는 포토다이오드를 제공하고, 여기서 p-i-n 또는 pn 접합은 흡수된 광으로부터 전하 캐리어들을 생성하기 위해 광 흡수 영역(11)을 포함한다. p-i-n 또는 pn 접합은 떨어져 이격되어 있고 광 흡수 영역(11)에서 생성되는 전하 캐리어들을 수집하도록 배열되는 하나 이사의 나노와이어들(7)을 포함한다. 나노와이어들(7) 및 상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2) 중 하나 사이에 제공되는 저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 적어도 하나의 저 도핑된 영역(10)으로 인해 능동 영역(9)의 맞춤식 광 흡수 영역 및/또는 애벌란치 증가 영역이 가능하다.
Description
본 발명은 포토다이오드(photodiode) 및 pn 또는 pin 접합의 일부로 나노와이어들을 포함하는 애벌란치 포토다이오드(Avalanche Photo-diode)에 관한 것이다.
포토다이오드(PD)는 광 또는 다른 전자기 에너지에 노출될 때 전하 캐리어(carrier)들을 발생시킬 수 있는 광검출기의 유형이다. 애벌란치 포토다이오드(APD)는 전하 캐리어 생성과 관련하여 배수의 전하 캐리어들, 즉, 고 민감도가 가능한 내부 전류 이득 효과를 포함하는 광검출기 디바이스의 다른 유형이다. 이후에 PD들 및 APD들은 양 유형들의 광검출기들에 공통인 특성들이 논의될 때 포토다이오드들로 간단히 칭해진다.
종래의 평면 기술을 이용하여 제조되는 반도체 포토다이오드들은 두 전기 접촉부들 사이에, 수직의 pn 접합, 즉 n-형 반도체 층 상의 p-형 반도체 층, 또는 수직 p-i-n 접합, 즉, p-형 및 n-형 층들 사이에 하나 이상의 중간 진성 또는 낮게 도핑(doping)된 반도체 층들이 있는 구조를 포함한다. 애벌란치 포토다이오드는 자체의 p-i-n 접합에 역 바이어스 전압을 인가함으로써 흡수된 광으로부터 발생되는 광전류의 증폭을 실행하여 높은 전기 필드(electric field) 하에서 애벌란치 증가를 가능하게 한다. 반도체 포토다이오드들의 성능은 높은 암전류(dark current) 및 잡음에 의해 제한되는 것으로 널리 공지되어 있다. 전형적으로 ADP들의 p-i-n 또는 pn 접합은 예를 들어 광 흡수 영역 및 애벌란치 증가 영역의 성능을 개선하기 위해 상이한 재료들로 제조된다. 예를 들어, Si는 저 잡음 특성을 제공하지만 검출 가능 파장을 제한한다. 디바이스 누설 전류, 즉 암전류의 하나의 중요한 원인은 디바이스 층들 내의 매우 높은 결함 밀도(defect density)로부터 발생된다. 이는 예를 들어 격자 변형(lattice strain)에 대해 양립할 수 없는 디바이스 층들이 에피텍셜(epitaxial) 성장에 의해 또는 웨이퍼 본딩(wafer bonding)에 의해 결합될 때 두드러진다. 더욱이, APD들은 고 전기 필드로 인해 에지(edge)의 파손을 겪는다. 에지 파손은 소위 보호 링(guard ring)들을 이용함으로써 부분적으로 방지될 수 있다. 그러나, 이는 디바이스의 활성 에어리어를 제한한다.
민감한 광검출기 구조들의 크기는 현재 표면적이 증가하면 암전류가 과잉 증가하므로 제한된다. 게다가, 암전류는 반도체 재료의 저하로 인해 시간에 따라 증가하는 경향이 있다. 결국, 디바이스는 단락으로 인해 고장이 난다. 이 효과는 APD들과 같은 높은 내부 전기 필드 디바이스들에서 특히 두드러지는데 왜냐하면 고 전류 레벨들은 저하를 가속할 것이기 때문이다.
종래의 광 에어리어 광검출기들은 단락에 의한 높은 암전류, 제한된 민감도, 스케일러빌리티(scalability) 및 제한된 신뢰성에 관한 결점들을 갖는다. 본 발명의 목적은 종래 기술의 결점들을 적어도 부분적으로 극복할 수 있는 광다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 포토다이오드는 두 접촉부들 사이에 배열되며 제 1 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 1 영역 및 상기 제 1 전도 유형과 반대인 제 2 전도 유형을 갖는 반도체 재료의 제 2 영역에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 p-i-n 또는 pn 접합을 포함한다. 상기 p-i-n 또는 pn 접합은 흡수된 광으로부터의 전하 캐리어의 발생을 위해 광 흡수 영역을 포함한다. p-i-n 또는 pn 접합 중 하나의 섹션은 떨어져 이격되어 있고 광 흡수 영역으로부터의 전하 캐리어들을 수집하도록 배열되는 하나 이상의 나노와이어들을 포함한다. 바람직하게도 나노와이어들은 반도체 기판 또는 반도체 기판상에 배열되는 표면층으로부터 돌출하고 반도체 기판 또는 표면층은 상기 제 1 영역을 포함한다.
나노와이어들 및 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역 중 하나 사이에 제공되며 적게 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 적어도 하나의 저 도핑 영역은 포토다이오드들 및 애벌란치 포토다이오드들의 설계 및 성능을 개선하는 것이 가능하다.
본 발명의 하나의 양태에서, 축상 포토다이오드 설계가 제공되고, 사익 제 1 전도 유형의 제 1 유형은 반도체 기판 또는 표면층 내의 도핑된 영역이고 상기 제 1 영역 및 나노와이어들 사이에는 저 도핑된 영역이 제공된다.
본 발명의 다른 양태는 방사형 포토다이오드 설계가 제공되고, 여기서 저 도핑된 영역 및 선택적으로 도핑된 영역은 코어-쉘(core-shell) 구조 내의 각각의 나노와이어에 배열된다.
포토다이오드는 이 축상 및 방사형 설계들로 제한되지 않는다. 하나 이상의 저 도핑된 영역들은 나노와이어들의 양측들에 제공될 수 있고, 나노와이어들의 한 측의 평면 층은 나노와이어들의 다른 측 상의 방사 층과 결합될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 애벌란치 포토다이오드에서 p-i-n 접합은 반도체 기판 또는 반도체 기판상에 배열되는 표면층 내의 제 1 전도 유형의 도핑된 영역 상에 배열되는 저 도핑된 또는 진성의 반도체 재료로 제조되는 저 도핑된 영역에 의해 부분적으로 형성된다. 저 도핑된 영역은 애벌란치 증가 영역 및 선택적으로 광 흡수 영역을 포함한다. p-i-n 접합의 다른 부분은 저 도핑된 영역으로부터 도출하는 하나 이상의 나노와이어들에 의해 형성된다. 나노와이어들은 제 1 전도 유형과 반대인 제 2 전도 유형의 제 2 영역을 제공하도록 도핑될 수 있거나 나노와이어들은 나노와이어들과 함께 또는 단독으로 상기 제 2 영역을 제공하는 인접한 도핑된 층에 접속될 수 있다.
본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드의 다른 실시예에서 p-i-n 접합은 반도체 기판 또는 표면층 내의 제 1 전도 유형의 제 1 도핑된 층의 저 도핑된 또는 진성의 반도체 층으로 제조되는 제 1 저 도핑된 층, 유전체 층 내의 개구들을 통해 제 1 전도 유형과 반대인 제 2 전도 유형의 저 도핑된 또는 진성의 반도체 재료의 제 2 저 도핑된 층으로 돌출하는 나노와이어들, 및 및 제 2 저 도핑된 층 상에 배열되는 제 2 전도 유형의 제 2 도핑된 영역 상에 배열되는 제 2 전도 유형에 의해 형성된다. 광 흡수 영역은 제 2 저 도핑된 층에 의해 제공되고 애벌란치 증가 영역은 제 1 저 도핑된 영역에 의해 제공된다. 제 2 도핑된 층에서 흡수되는 광으로부터 발생되는 전하 캐리어들은 나노아이어들에 의해 수집되고 역 바이어스로 제 1 저 도핑된 층으로 운반된다.
공통으로 이용되는 평면 기술에서의 제한들 중 많은 제한들은 주로 격자 정합 제한들로 인한, 재료 결합들에서 유연성이 제한되는 문제들로부터 유래될 수 있다. 예를 들어 본 발명에 따른 포토다이오드들의 제조를 위해 실리콘 상의 III-V 나노와이어들의 직접 성장의 가능성은 공통으로 이용되는 웨이퍼-본딩 기술들과 비교해서 뛰어난 장점들을 의미한다.
본 발명으로 인해, 개선된 암전류 특성들을 갖는 포토다이오드들을 제공하는 것이 가능하다. 시간에 따라 실질적으로 일정한 암전류를 갖는 포토다이오드들을 제공함으로써 단락에 의해 고장이 날 위험성을 현저하게 감소시키는 것이 본 발명의 부가적인 장점이다. 대신 본 발명에 따른 포토다이오드들의 나노와이어들은 회로 파괴자 동작을 제공하도록 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 포토다이오드들의 성능 및 신뢰도는 나노와이어들의 적어도 일부를 나노와이어 부분에서의 공간 전하 구성에 기초하여 구조를 제한하는 전류로 이용함으로써 더 개선될 수 있다. 이 공간 전화 효과는 초과 전류 누설 및 디바이스 고장을 방지하는 것이 가능한 대단히 높고, 설계 가능한, 직렬 저항을 발생시킨다. 포토다이오드의 역 저항이 또한 증가하여 더 높은 항복 전압(breakdown voltage) 및 개선된 애벌란치 기능을 갖는 포토다이오도들을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 종속 청구항들에서 정의된다. 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 신규 특성들은 첨부 도면들 및 청구항들과 함께 고려될 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다;
도 1a 내지 1b는 본 발명에 따라 도핑된 나노와이어들 및 도핑된 기판 사이에 있는 공통 진성 층에 활성 영역이 위치되는 포토다이오드들을 개략적으로 도시한 도면;
도 2a 내지 2b는 각각의 나노와이어를 둘러싸는 진성 층들에 활성 영역이 위치되는 p-i-n 접합의 하나의 영역을 형성하는 도핑된 기판으로부터 돌출한 나노와이어들을 포함하는 포토다이오드들을 개략적으로 도시한 도면으로, 도 2a에서, p-i-n 접합의 다른 도핑된 영역이 나노와이어들로부터 재성장된 공통 합체 반도체 층에 의해 형성되고, 도 2b에서 각각의 나노와이어가 본 발명에 따라 별개의 도핑된 반도체 층에 둘러싸인, 도면들;
도 3은 본 발명에 따라 실리콘 상에서 성장된 InGaAs 나노와이어들에 기초하는 축상 포토다이오드 설계의 하나의 실시예 및 (b) 방사형 포토다이오드 설계의 하나의 실시예로 개략적으로 도시한 도면;
도 4는 본 발명에 따른 나노와이어들에 의해 분리된 두 저 도핑된 층들을 포함하는 포토다이오드를 개략적으로 도시한 도면;
도 5는 본 발명에 따른 InGaAs/Si SAM APD를 개략적으로 도시한 도면;
도 6은 도 5b의 (a) 전기 필드 도면 및 (b) 바이어스 없는, 그리고 (c) 역 바이어스의 InGaAs/Si SAM APD의 대역 도면들을 개략적으로 도시한 도면들;
도 7은 본 발명에 따른 나노와이어들 하에서의 접합 프로파일(junction profile)을 개략적으로 도시한 도면.
도 1a 내지 1b는 본 발명에 따라 도핑된 나노와이어들 및 도핑된 기판 사이에 있는 공통 진성 층에 활성 영역이 위치되는 포토다이오드들을 개략적으로 도시한 도면;
도 2a 내지 2b는 각각의 나노와이어를 둘러싸는 진성 층들에 활성 영역이 위치되는 p-i-n 접합의 하나의 영역을 형성하는 도핑된 기판으로부터 돌출한 나노와이어들을 포함하는 포토다이오드들을 개략적으로 도시한 도면으로, 도 2a에서, p-i-n 접합의 다른 도핑된 영역이 나노와이어들로부터 재성장된 공통 합체 반도체 층에 의해 형성되고, 도 2b에서 각각의 나노와이어가 본 발명에 따라 별개의 도핑된 반도체 층에 둘러싸인, 도면들;
도 3은 본 발명에 따라 실리콘 상에서 성장된 InGaAs 나노와이어들에 기초하는 축상 포토다이오드 설계의 하나의 실시예 및 (b) 방사형 포토다이오드 설계의 하나의 실시예로 개략적으로 도시한 도면;
도 4는 본 발명에 따른 나노와이어들에 의해 분리된 두 저 도핑된 층들을 포함하는 포토다이오드를 개략적으로 도시한 도면;
도 5는 본 발명에 따른 InGaAs/Si SAM APD를 개략적으로 도시한 도면;
도 6은 도 5b의 (a) 전기 필드 도면 및 (b) 바이어스 없는, 그리고 (c) 역 바이어스의 InGaAs/Si SAM APD의 대역 도면들을 개략적으로 도시한 도면들;
도 7은 본 발명에 따른 나노와이어들 하에서의 접합 프로파일(junction profile)을 개략적으로 도시한 도면.
본 발명에서 반도체 포토다이오드의 하나의 섹션은 서로 떨어져 이격되는 있고 전형적으로 1 내지 108의 나노와이어들을 포함하는 나노와이어 어레이(nanowire array)를 이용함으로써 분할된다. 기본적으로, 나노와이어 어레이의 나노와이어들은 포토다이오드의 p 및 n 영역들을 서로 접속시킴으로써, 광 흡수 영역에서 흡수된 광으로부터 생성되는 전하 캐리어들이 바이어스로 인해 나노와이어들에 의해 수집되고 효율적으로 멀리 인도된다. 이는 상이한 광검출기들에 이용될 수 있고, 다음에 특히 포토다이오드들(PD), 애벌란치 포토다이오드들(APD), 및 별개의 흡수-증가 애벌란치 포토다이오드(SAM APD)을 위해 기술된다.
본 출원의 목적을 위해 용어 나노와이어는 자체의 폭 또는 직경이 필수적으로 나노미터 차원으로 이루어진 구조로 해석되어야 한다. 그와 같은 구조들은 흔히 또한 나노휘스커(nanowhisker)들, 나노로드(nanorod)들 등으로 칭해진다. 입자 보조 성장 또는 미국 특허 제 7,335,908에 기술되는 소위 VLS(vapour-liquid-solid) 메커니즘뿐만 아니라 널리 공지되어 있는 다른 유형들의 화학적 빔 에피택시 및 증가 위상 에피택시 방법에 의해 기판들 상에 나노와이어를 형성하는 기본 프로세스가 제공된다. 그러나, 본 발명은 그와 같은 나노와이어들 또는 VLS 프로세스로 제한되지 않는다. 나노와이어들을 성장시키기 위한 다른 적절한 방법들이 당업계에 공지되어 있고 예를 들어 국제 출원 WO 2007/104781에 개재되어 있다. 이로부터 나노와이어들은 입자를 촉매로서 이용하지 않고도 성장될 수 있게 된다. 그러므로 선택적으로 성장되는 나노와이어들 및 나노구조들, 에칭된 구조들, 다른 나노와이어들, 및 나노와이어들로부터 제조되는 구조들이 모두 포함된다.
연속 층들 사이의 격자 오정합과 같은, 평면 기술을 이용하여 제조되는 반도체 디바이스들에서 어떤 한계들이 존재할지라도, 나노와이어 기술은 연속 층들 내에서 반도체 재료들의 선택에 있어서 더 큰 유연성을 제공하므로 대역 구조를 조정할 더 클 가능성을 제공한다. 나노와이어들은 잠재적으로 또한 평면 층들보다 더 낮은 결함 가지고, 반도체 디바이스들 내의 평면 층들의 적어도 일부를 나노와이어들로 대체함으로서, 결함들과 관련된 제한들이 감소할 수 있다. 더욱이, 나노와이어들은 부가적인 에피택셜 성장을 위해 표면들에 저 결함 밀도들을 템플릿(template)들로서 제공한다.
도 1 내지 도 4를 상세하게 언급하면, 본 발명에 따른 포토다이오드는 제 1 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 1 영역(1) 및 제 1 전도 층과 반대인 제 2 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 2 영역(2)에 의해 적어도 부분적으로 형성되고, 즉, 제 1 영역은 p-형이고 제 2 영역은 n-형이거나, 제 1 영역이 n-형이고 제 2 영역이 p-형이다. p-i-n 또는 pn 접합은 흡수된 광으로부터 전하 캐리어들을 생성하기 위한 광 흡수 영역(11)을 더 포함한다. p-i-n 또는 pn 접합의 하나의 섹션은 떨어져 이격되고 광 흡수 영역(11)으로부터 전하 캐리어를 수집하도록 배열되는 나노와이어들(7)의 어레이를 포함한다. 나노와이어들 사이의 갭은 유전체 재료, 진성 반도체 재료 또는 저 도핑된 반도체 재료로 채워질 수 있다. 이 재료는 투명할 수 있다.
나노와이어들은 전형적으로 반도체 기판 또는 반도체 기판상에 배열되는 표면층에서 성장된다. 반도체 기판 및/또는 표면층은 바람직하게도 본 발명에 따른 포토다이오드의 일부이다. 그리고나서 포토다이오드의 나노와이어들(7)은 반도체 기판(3) 또는 반도체 기판(3) 상에 배열되는 표면층(4)으로부터 돌출되고 반도체 기판(3) 또는 표면층(4)은 상기 제 1 영역(1)을 포함한다.
상술한 바와 같이, 포토다이오드는 접합의 각각의 측에 반대의 전도 유형을 갖는 반도체 재료들을 구비하는 pn 접합을 포함할 수 있다. 인입하는 광의 흡수에 의해 생성되는 전하 캐리어들은 접합에 의해 분리되고 광전류의 원인이 된다. 상기 흡수는 공핍 영역에서 또는 이의 중간 부근에서 발생한다. 폭과 같은 공핍 영역의 특성들은 바람직하게도 나노와이어들에 인접한 p-형 및 n-형 영역 사이에 저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 저 저 도핑된 영역을 도입함으로써, p-i-n 접합이 형성된다. 본질적으로 p-i-n 접합의 저 도핑된 영역으로 pn 접합에서보다 더 넓은 공핍 영역이 가능하다. 공핍 영역, 및 그에 따른 광 흡수 영역은 완전히 저 도핑된 영역 내에 있을 수 있거나, 이는 나노와이어들 및/또는 p 또는 n 영역과 같은 임의의 인접 영역으로 신장될 수 있다. 본 발명에서 나노와이어를 주로 이용하는 것은 광 흡수기들이 아니기 위해서인데, 적어도 이의 일부는 그와 같이 이용될 수 있다. 결과적으로 광 흡수 영역은 나노와이어들(7)과 중첩될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서 저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 적어도 제 1 저 도핑된 영역(10)은 p-i-n 접합의 광 흡수 영역(11)을 적어도 부분적으로 흡수하기 위해 반대의 전도 유형을 갖는 상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2) 중 하나와 나노와이어들(7) 사이에 제공된다. 저 도핑된 영역들(10)은 나노와이어들(7)의 임의의 한 측 또는 양측에 제공될 수 있다. 이 애플리케이션을 위해 반도체 기판 또는 반도체 기판에 배열되는 표면층에 배열되는 저 도핑된 영역(10)은 축상 설계로 칭해지고 각각의 나노와이어(7)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 쉘 층으로 배열되는 저 도핑된 영역(100)은 방사형 설계로 칭해진다. 그러나, 본 발명은 순 축상 또는 방사형 설계들로 제한되지 않는다. 예를 들어, 상이한 쉘 층들이 반도체 기판 내의 저 도핑된 영역들과 결합될 수 있다. 저 도핑된 영역으로 광 흡수 영역이 형성되고, 이 광 흡수 영역은, 비록 광 흡수 영역(9)이 나노와이어들(7) 및/또는 상기 제 1 및 제 2 영역들(1, 2)로 신장될지라도, 실질적으로 반도체 기판에 인접하거나 상기 반도체 기판 내에, 나노와이어들을 둘러싸는 쉘 층에 또는 나노와이어들로부터 성장된 층에 위치될 수 있다.
그와 같은 저 도핑된 영역은 또한 p-i-n 접합에서 애벌란치 증가 영역의 형성을 위하여 포토다이오드 내에서 이용될 수 있다. 애벌란치 증가 및 광 흡수는 동일하거나 상이한 저 도핑된 영역들에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 부가적으로 애벌란치 증가 영역은 나노와이어들에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다.
도 1a는 저 도핑된 영역을 포함하는 본 발명에 따른 포토다이오드의 하나의 실시예를 개략적으로 도시한다. 포토다이오드는 반도체 기판(3)에 배열되는 표면층(4)으로부터 돌출하는 나노와이어들(7)의 어레이를 포함한다. 도 1a에 도시되는 바와 같이, 각각의 나노와이어(7)의 종단부는 공통 제 1 접촉 수단(5)에 접촉될 수 있다. p-i-n 접합은 p-도핑된 반도체 재료로 제조되는 반도체 기판(3) 내의 제 1 영역(1) 및 n-도핑된 반도체 재료로 제조되는 각각의 나노와이어(7) 내의 제 2 영역(2)에 의해 형성되고 저-도핑되거나 진성 재료로 제조되는 표면층(4)에는 저-도핑된 영역(10)이 있다. 흡수된 광으로부터 전하 캐리어들의 생성하기 위한 광 흡수 영역(11)은 실질적으로 저 도핑된 영역(10)에 의해 제공된다. 생성되는 전하 캐리어들은 역바이어스된 p-i-n 접합에 의해 나노와이어들(7)에 의해 수집된다. 광 흡수 영역(11)은 저 도핑된 영역(10) 자체에 의해 형성되거나 광 흡수 영역(11)은 나노와이어(7) 및/또는 제 1 영역(1)으로 신장될 수 있다. 도 1b는 포토다이오드를 개략적으로 도시하고 여기서 제 1 및 제 2 영역들(1, 2)은 도 1a 내의 포토다이오드와 비교하면 반대의 극성을 갖는, 즉, 반도체 기판(3)은 n-형이고 나노와이어(7)는 p-형이다. 도 1a 내지 도 1b의 나노와이어 구조들은 포토다이오드들 또는 애벌란치 포토다이오드들로 동작하도록 설계될 수 있다. 애벌란치 포토다이오드는 역바이어스에 의해 동작되고 광 흡수 영역 외에 저 도핑된 영역(10)은 애벌란치 증가 영역을 제공한다. 제 2 접촉 수단(도시되지 않음)은 반도체 기판의 후면에 또는 그 밖의 다른 곳에 전기적으로 접속될 수 있다.
도 1에 도시되는 실시예에서 나노와이어들(7)을 이용함으로써 활성 체적의 손실 없이 전기 전도 경로의 분할이 가능하다. 이 분할된 포토다이오드는 대응하는 평면 디바이스와 비교할 때, 양자 효율의 손실 없이 현저하게 감소한 암전류를 나타낸다. 제조가 수월한 것과 동시에, 분할된 포토다이오드는 평면 디바이스의 높은 암전류에 대한 근본 문제에 대한 단순한 해법을 제공한다.
도 2a 내지 2b는 본 발명에 따른 포토다이오드의 방사형 설계의 실시예들을 개략적으로 도시한다. 포토다이오드는 반도체 기판(3)으로부터 돌출하는 나노와이어들(7)의 어레이를 포함한다. p-i-n 접합은 반도체 기판 내에 제 1 전도 유형을 갖는 반도체 제로로 제조되는 제 1 영역(1) 및 각각의 나노와이어를 둘러싸는 제 1 전도 유형과 반대인 제 2 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 2 영역(2)에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 저 도핑되거나 진성의 영역(10)은 전하 캐리어들의 생성을 위해 광 흡수 영역을 제공하도록 나노와이어들(7)의 어레이 및 상기 제 2 영역(2) 사이에 제공된다. 활성 영역의 광 흡수 영역은 또한, 자신이 동작 바이어스에서 공핍될 만큼 충분히 낮은 레벨로 도핑되는 한 p-형 또는 n-형 중 하나일 수 있음이 인식되어야 한다. 제 1 및 제 2 영역들은 반대의 도핑 극성을 갖고, 이는 상기 실시예들에서 n-도핑된 제 1 영역 및 p-도핑된 제 2 영역으로 예시되지만, 이로 제한되지 않는다. 방사형 진성 영역의 형성은 평면 진성 d여역에 대한 대안이고 방사형 방법은 충분히 정의된 진성 영역의 형성을 간소화한다. 더욱이, 방사형 구조는 공핍 효과를 가능하게 할 것이므로, 나노와이어 주위에 중심이 있는 실린더형 공핍 영역을 형성하고, 둘러싼 쉘 층으로 확장된다.
도 2a에서, 제 1 영역(1)은 반도체 기판(3) 내로부터의 제 1 n-도핑된 층을 포함하고 나노와이어들(7)의 각각의 적어도 종단부는 상기 제 2 영역(2)을 적어도 부분적으로 형성하는 제 2 p-도핑된 층에 의해 과성장된 저 도핑된 영역(10)을 포함하는 쉘 층에 의해 둘러싸인다. 바람직하게도 나노와이어(7)는 저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조된다. 제 2 도핑된 층은 나노와이어 대역갭(bandgap)보다 더 큰, 단일 대역갭 또는 복수의 대역갭들을 포함한다. 유전체 층(15) 또는 대안으로 저 도핑되거나 진성 반도체 층은 반도체 기판(3)의 표면을 커버하고 나노와이어들(7)을 둘러싼다. p 및 n-도핑된 층들 및 중간 진성 영역 및 진성 나노와이어는 p-i-n 접합을 형성한다. 전하 캐리어들은 실질적으로 쉘 층의 저 도핑된 영역(10)에 실질적으로 대응하는 광 흡수 영역(11)에서 광생성(photogenerated)된다. 도 2a에 도시되는 바와 같이, 도핑된 층은 나노와이어들(7)로부터 재-성장되어 나노와이어들로부터 재성장된 공통 합체 반도체 층을 형성하고 나노와이어들(7) 사이의 갭을 채운다. 이는 도핑된 영역 상의 공통 제 1 접촉부(5)의 형성을 용이하게 한다. 이 포토다이오드 구조는 여전히 나노와이어 방법으로 인해 저 암전류를 유지하면서도 광범위한 검파 가능한 파장들과 결합하여 높은 광학 밀도를 제공한다.
도 2b는 제 2 도핑된 층이 나노와이어들(7)로부터 성장될 때 나노와이어들() 사이에 갭이 남는다. 상기 갭은 유전체 재료, 진성 또는 저 도핑된 반도체 재료로 채워질 수 있다. 갭 내의 재료는 투명할 수 있다. 분리로 인해, 각각의 나노와이어(7)는 반도체 기판에 의해 그리고 선택적으로 제 2 도핑된 층에 배열되는 공통 제 1 접촉부에 의해 인접한 나노와이어 포토다이오드들과 결합하는 개별 포토다이오드를 정의한다.
특히 도 2a 내지 2b의 포토다이오드들은 Si 상에 III-V 반도체 재료들, 예를 들어 Si로 제조되는 반도체 기판 내의 n+-Si 층, p-InGaAs 저 도핑된 영역 및 저 도핑된 영역을 둘러싸는 p+InGaAs 층을 포함할 수 있다. 그와 같은 포토다이오드들은 n+ Si 층이 입사하는 광자들에 투명한 경우 상기 층을 통해 광에 노출될 수 있거나, 대안으로 포토다이오드들은 기저 층보다 더 높은 대역갭을 가지도록 선택되는 경우, p+ 층을 통해 상부로부터 광에 노출될 수 있다. 도 2에 도시된 포토다이오드들의 광 흡수 영역(11)이 포토다이오드의 나노와이어 측에 위치되므로, 다수의 다른 III-V 재료들이 이용될 수 있고, 따라서 대역폭의 범위는 장파장 IR(InSb, 0,17eV)로부터 고 UV(AlN, 6,2eV)까지 정해진다. 재료 선택의 높은 유연성은 나노와이어들이 나타나도록 확인된 격자 오정합의 허용오차가 근본적으로 높기 때문이다. 더욱이, Si 상에 직접적으로 III-V 나노와이어들의 에피택셜 성장에 있어서의 진보들은 대규모, 대량 생산 친화적인 Si 기판들 상에 고품질 III-V 재료의 제조를 가능하게 하여 현재 웨이퍼 본딩 해법들의 결점들을 회피하면서도 잠재적인-제조 비용들을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 포토다이오드들은 제 2 영역에 전기적으로 접속되는 상부 접촉부를 포함하는 제 1 접촉 수단(5)을 포함할 수 있다. 포토다이오드가 나노와이어 측으로부터 광을 수신하도록 적응될 때, 투명한 상부 접촉부가 바람직하다. 적절한 투명 접촉 재료들의 예를 ITO 및 ZnO이지만, 이로 제한되지 않는다. 상부 접촉부의 다른 예를 강하게 도핑된 반도체이고, 상기 반도체는 더 넓은 대역갭을 가지고, 오믹 접촉(ohmic contact)으로 종료되는 입사 방사선에 투명하다.
동작 시에, 상술한 포토다이오드들은 광 흡수 영역(11)에서의 전하 캐리어로 인해 광전류를 발생시킨다. 활성 영역은 전형적으로 저 도핑된 영역 내에 있지만, 주변의 p- 및/도는 n-유형 영역들 및/또는 나노와이어들로 확장될 수 있다. 광 발생 전하 캐리어들은 필연적으로 나노와이어들(7)로 지향되고 역 바이어스 극성에 의해 멀어지게 된다.
전하 캐리어 생성이 p-i-n 접합의 기판 일부 내에 있을 때, 최대 나노와이어 간격이 증가하여 암전류를 감소시켜야만 한다. 그러나, 나노와이어 간격은 증가된 트래핑(trapping) 및 재결합에 의해 제한되므로, 간격이 증가할수록 감소수집 효율이 감소한다. Si-기판으로부터 돌출하는 나노와이어들(7)은 바람직하게도 최대 2㎛ 미만의 간격, 바람직하게는 0.1 및 1㎛ 사이로 떨어져 이격된다. 일반적으로, 최대 간격은 소수 전하 캐리어들의 최대 확산 길이에 의해 표현될 수 있다. 하나의 실시예에서, 광 흡수 영역이 부분적으로 공핍되지 않을 때, 나노와이어들(7)은 나노와이어들(7) 사이에서 최대 간격으로 위치되지만, 이는 소수 캐리어 확산 길이보다 더 짧다. 나노와이어들(7)은 인접한 나노와이어들 사이에 동일한 간격을 갖는 정렬된 어레이에 배열될 수 있으나, 나노와이어들(7)는 또한 바람직한 간격들을 초과하지 않는 평균 간격을 가질지라도 더 랜덤하게 분배될 수 있다.
본 발명에 따른 포토다이오드들은 하나의 측면 층이 많은 수의 열들로 분할되는 점에 있어서 종래의 평면 디바이스와 상이하다. 이 분리에 의한 장점들은 상술한 바와 같이 나노와이어 분할이 재료들의 선택, 대역갭들, 도핑 프로파일들 및/또는 레벨들 및 저 결함 밀도에 있어서 유연성을 가능하고 하고, 이는 개선된 누설 전류, 동작 전압 및 사용 기간을 가능하게 한다.
본 발명의 나노와이어 포토다이오드들에 의한 근본적인 장점은 전류 경로가 활성 체적의 손실 없이 분할되어, 양자 효율의 손실 없이 암전류를 더 낮추게 되는 점이다. 디바이스 물리는 방사형 설계 및 축상 설계의 경우 유사하고, 방사형 p-i-n 구조에 대한 추가적인 이점은 나노와이어의 길이에 따라 인터페이스가 확장되고 방사 방향으로 결정적인 캐리어 분리가 발생한다는 점이다. 수집 거리는 소수 캐리어 확산 길이보다 더 짧을 것으로 예상되므로 광 생성 캐리어들은 실질적인 벌크(bulk) 재결합 없이 매우 높은 효율을 갖는 p-i-n 접합에 도달할 수 있다. 포토다이오드의 분할은 또한 포토다이오드의 커패시턴스를 감소시키고 따라서 동작 속도를 증가시킨다.
나노와이어들 및 나노 구조들 이 둘 모두가 포토다이오드에 이용되어 분할 효과의 장점을 이용할 수 있다. 즉, 나노와이어는 상이한 길이들을 가질 수 있는, 즉 이는 나노와이어 또는 나노스터브(nanostub)이다.
도 3a를 참조하면, 포토다이오드의 활성 영역은 실질적으로 나노와이어들 내에 있을 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서 포토다이오드는 본질적으로 n-도핑된 반도체 기판(3) 상에 진성 또는 저 도핑된 나노와이어들을 포함한다. 기판(3)의 반대 측인 나노와이어들(7)의 종단부는 제 1 접촉 수단(5)에 접속되는 p-형 반도체 재료 내에서 둘러싸인다. 결과적으로 공핍 영역은 실질적으로 나노와이어들 내에 형성된다. 공핍 영역은 광 흡수 영역 및 및 선택적으로 또한 애벌란치 증가 영역을 포함할 수 있다. 나노와이어의 대역갭은 상이한 조성 및/또는 도핑 레벨의 이질구조(heterostructure)들을 이용함으로써 설계될 수 있다.
도 4는 제 1 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 1 영역(1) 및 제 1 전도 유형에 반대인 제 2 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 2 영역(2)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 p-i-n 접합을 포함하는 나노와이어-기반 포토다이오드의 하나의 실시예를 개략적으로 도시, 즉, 제 1 영역은 p-형이고 제 1 영역은 n-형이거나 또는 제 1 영역이 n-형이고 제 2 영역이 p-형이다. p-i-n 접합은 광 흡수 영역(11)을 형성하기 위해, 제 1 및 제 2 영역(1,2) 사이에 저 도핑된 영역(10)을 더 포함한다. 저 도핑된 영역(10)은 광 흡수 영역(11)에서 생성되는 전하 캐리어들을 수집하도록 배열되는 나노와이어들(7)의 어레이에 의해 제 1 저 도핑된 층 및 제 2 저 도핑된 층으로 분리된다. 상기 제 1 영역(1)은 반도체 기판(3) 내의 제 1 전도 유형의 제 1 도핑된 층에 의해 형성된다. 제 1 전도 유형의 저 도핑된 또는 진성 반도체 재료로 제조되는 제 1 저 도핑된 층은 나노와이어 어레이 및 상기 제 1 영역(1) 사이에, 전형적으로 반도체 기판(3)에 배열되는 표면층으로 제공된다. 각각의 나노와이어(7)는 유전체 층(15), 대안으로 저 도핑되거나 진성 반도체 층 내의 개구들을 통해 제 2 전도 유형의 제 2 저 도핑된 층으로 돌출한다. 상기 제 2 영역(2)은 제 2 저 도핑된 층에 배열되는 제 2 전도 유형의 제 2 도핑된 층에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 동작 시에 제 2 저 도핑된 층에서 흡수된 광으로부터 생성되는 전하 캐리어들은 나노와이어들(7)에 의해 수집되고 제 1 저 도핑된 층에 투명하다.
예를 들어, 도 4의 포토다이오드 구조에서, 제 1 도핑된 층은 n + Si를 포함하고, 제 1 저 도핑된 층은 n - Si를 포함하고, 제 2 저 도핑된 층은 p - InGaAs를 포함하고, 제 2 도핑된 층은 p + InGaAs를 포함한다.
도 5는 제 1 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 1 영역(1) 및 제 1 전도 영역과 반대인 제 2 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 2 영역에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 p-i-n 접합을 포함하는 나노와이어-기판 APD의 하나의 실시예를 개략적으로 도시하고, 여기서 제 1 영역은 p-형이고 제 2 영역은 n-형이거나, 또는 제 1 영역은 n-형이고 제 2 영역은 p-형이다. p-i-n 또는 pn 접합은 흡수된 광으로부터 전하 캐리어들을 생성하기 위한 활성 영역을 더 포함한다. p-i-n 접합은 활성 영역을 형성하기 위해 제 1 및 제 2 영역(1, 2) 사이에 저 도핑된 영역(10)을 더 포함한다. 저 도핑된 영역(10)은 활성 영역의 광 흡수 영역(11)에서 생성되는 전하 캐리어들을 수집하도록 배열되는 하나 이상의 나노와이어들(7)에 의해 제 1 저 도핑된 층 및 제 2 저 도핑된 층으로 분리된다. 상기 제 1 영역(1)은 반도체 기판(3)에서 제 1 전도 유형의 제 1 도핑된 층에 의해 형성된다. 제 1 전도 유형의 저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 제 1 저 도핑된 층은, 애벌란치 증가 영역(12)을 형성하기 위해, 각각의 나노와이어(7) 및 전형적으로 반도체 기판(3) 상에 배열되는 표면층으로서의 상기 제 1 영역 사이에 제공된다. 각각의 나노와이어(7)는 유전체 층(15), 대안으로 저 도핑되거나 진성의 반도체 층 내의 개구를 통해 제 2 전도 유형의 제 2 저 도핑된 층으로 돌출하고, 여기서 제 2 저 도핑된 층은 광 흡수 영역(11)을 형성한다. 상기 제 2 영역(2)은 제 2 저 도핑된 층 상에 배열되는 제 2 전도 유형의 제 2 도핑된 층에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 동작 시에, 제 2 저 도핑된 층 내에서 흡수된 광으로부터 생성되는 전하 캐리어들은 역 바이어스로 인해 나노와이어들(7)에 의해 수집되고 제 1 저 도핑된 층에 투명하다.
예를 들어, 도 5의 APD 구조에서, 제 1 도핑된 층은 n + Si를 포함하고, 제 1 저 도핑된 층은 p - Si를 포함하고, 제 2 저 도핑된 층은 p - InGaAs를 포함하고, 제 2 도핑된 층은 p + InGaAs를 포함한다. 그와 같은 APD는 고 효율 흡수 InGaAs 재료를 갖는 Si의 저 잡음 증가 능력을 이용한다. 동작 시에 적외선 영역에서의 광자들은, 실리콘이 자신들에게 투명하기 때문에, 전형적으로 기판 측으로부터 입사하므로, p - InGaAs 층에 흡수된다. 역 바이어스 하에서, 광생성된 전자들은 Si-부분 쪽으로 부유하다가 고 필드 p-Si 증가 영역으로 주입된다. 이 개념의 핵심 장점은 고 필드 증가 영역은 물리적으로 저 필드 광 흡수 영역과 분리되는 점이다. 이 분리가 없으면, 암전류는 작은 대역갭 및 저 전자 효과 질량으로 인한 InGaAs 영역에서의 제너 터널링(zener tunnelling)으로 인해 급격하게 더 높아질 것이다. 본 설계의 부가적인 장점은 고 필드들에 노출되는 나노와이어들은 단락 회로보다 더 회로 파손 작동을 더 하기 쉽다는 점이다.
Si 나노와이어 APD들은 저 잡음(애벌란치 잡음) 특성들로 인해 통신 디바이스들에 관심이 있다. 표준 평면 에피택셜 성장 기술은 큰 격자 오정합 때문에 InGaAs-Si APD들을 형성하는 것이 가능하지 않다. 웨이퍼 본딩은 현재 유일한 대안이지만, 그 결과는 누설 전류들로 인해 실망스럽다.
도 6은 a)에서 전기 필드 내의 역 바이어스 하의 도 5의 실시예에 대한 전기 필드 도 및 b)에서 바이어스 없거나 c)에서 바이어스가 있는 이 ADP의 대역 갭 도면들을 도시한다. p-Si의 도핑은 또한 저 도핑된 p 영역 내에 고도로 도핑된 p+ 스파이크(spike)(두께가 이 내지 3백 nm를 초과하지 않는다)로 일정하거나 일정하지 않을 수 있음을 주목하라. 이 소위 Hi_LO APD 구조는 상기 필드가 거의 이 영역에서 일정하기 때문에 증가 영역에서 더 낮은 전기 필드들에서 높은 이득을 달성하는 장점을 갖는다.
그와 같은 애벌란치 포토다이오드들은:
- 피크 전기 필드는 애벌란치를 가능하게 할 만큼 충분하게 높다;
- 광생성은 p-InGaAs 영역에서 발생하고, 이는 나노와이어들을 둘러싸는 방사형 합체 층일 수 있고 전자들은 p - Si 영역으로 주입된다;
- p - InGaAs 영역은 완전히 공핍된다;
- 도 6 내의 A에서의 p - Si 영역 내의 전기 필드는 터널링을 방지할 만큼 충분히 낮다(약 50% GaAs 및 50% InAs를 갖는 InGsAs 조성에 대해 Ei<1.5x105V/cm).
후자는 상기 필드가 너무 높은 경우 암전류가 바이어스에 의해 재빨리 증가하기 때문에 중요하다. 부가적인 터널링은 도 5에서의 C에서 저 경사도를 가질 확률이 더 낮다.
본 발명에 따른 포토다이오드들은 도시된 극성들로 제한되지 않는다. pn 구조는 np 구조로 변경될 수 있다. n-형 와이어들을 갖는 반대 극성을 갖는 디바이스는 제조 관점에서는 더 편리할 수 있다. 나노와이어 APD에서 둘 이상의 재료들이 나노와이어에 이용되어 디바이스를 서서히 느리게 하는 캐리어 파일 업(carrier pile up) 효과들로 이어질 헤테로접합(heterojunction barrier)들을 감소시킬 수 있다. 예를 들어 GaInAsP 나노와이어가 이용될 수 있고 여기서 Ga 및 P 함량은 나노와이어들에 따라 변화된다. 이는 특히 고속 통신(약 ~ 1 Gb/s)에 중요하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 개선된 넓은-에어리어의 디바이스들을 제조하는 것을 가능하게 하는 개선된 암 전류 특성들을 갖는 포토다이오드들을 제공하는 것을 가능하게 한다. 시간에 따라 실질적으로 일정한 암전류를 갖는 포토다이오드들을 제공함으로써, 단락에 의한 고장의 위험성을 현저하게 감소시키는 것이 본 발명의 부가적인 장점이다. 특히 개선된 암전류 특성들은 국지화된 고 전기 필드 지점(또한 마이크로플라즈마(microplazma)로 공지되어 있다)들의 형성으로 인해 반도체 재료들의 열화가 가속되기 때문에, APD들과 같은 높은 역 바이어스 레벨에서 동작하는 포토다이오드들에 유용하다. 이는 전류 필러멘테이션(filamentation), 국지적 가열 및 결과적으로 조기의 디바이스 파손으로 이어질 수 있다. 대신 본 발명에 따른 포토다이오드들의 나노와이어들은 회로 차단기 동작을 제공하도록 설계될 수 있다. 이 고장 메커니즘은, 나노와이어를 넘는 높은 전기 필드를 적용하고나서, 나노와이어 저항을 크게, 통상적으로 수백 내지 수천배 증가시킬 때, 발현된다. 회로 차단기 동작은 단락 회로 동작에 대해 유용한데, 왜냐하면 큰 어레이 내의 하나 또는 작은 수의 나노와이어들의 고장은 성능에 현저하게 영향을 미지지 않지만 반면에 단락 회로는 해로울 수 있기 때문이다. 더욱이, 이 동작은 나노와이어 부분에서의 공간 전하 구성에 기초하여 나노와이어들의 적어도 일부분을 전류 제한 구조로서 이용함으로써 본 발명에 따른 포토다이어드들의 성능 및 신뢰성을 더 개선하는데 이용될 수 있다. 이 공간 전하 효과는 매우 높고, 설계 가능한 직렬 저항을 발생시키고, 이 직렬 저항은 과도한 전류 누설 및 디바이스 고장을 방지하는 것을 가능하게 한다. 포토다이오드의 역 저항은 또한 더 높은 파손 전압 및 개선된 애펄란치 기능을 갖는 포토다이오드들을 가능하게 하도록 증가할 수 있다.
본 발명에 다른 기본 나노와이어 포토다이오드는 이미 개선된 전류 누설 및 암전류 특성들을 제공한다. 본 발명에 따른 나노와이어 포토다이오드의 성능, 특히 암전류 특성들은 공핍 영역의 나노와이어로의 이상적인 확산을 형성하기 위해 포토다이오드의 적절한 설계에 의해 더 개선될 수 있다. 포토다이오드의 중요한 섹션은 다음에 전류 제한 구조로 칭해지고 다음의 설명 및 추정은 나노와이어의 차원들, 도핑 레벨들, 및 반도체 제로들과 같은 여러 파라미터들이 원하는 특성을 획득하기 위해 가변될 수 있음을 나타낸다.
본 발명의 하나의 실시예에서 본 발명에 따른 포토다이오드는 전류 제한 구조를 포함한다. 전류 제한 구조는 유전체 재료 또는 저 도핑되거나 진성의 재료로 둘러싸인 각각의 나노와이어(7)의 적어도 일부를 포함하고, 이로 인해 동작 시에, 상기 일부는 미리 결정된 공간 전하 효과를 제공하기 위해 적어도 부분적으로 공핍되도록 적응된다.
전류 제한 효과는 나노와이어들의 간격; 도핑 레벨; 나노와이어 부분의 직경 및 길이와 같은 다수의 파라미터들을 변경함으로써; 또는 나노와이어 내의 헤테로구조를 도입함으로써 또는 재료들의 결합들을 변경함으로써 설계될 수 있다.
전류 제한 구조는 포토다이오드의 능동 영역 상에서 현저하게 영향을 미치지 않으면서도 설계될 수 있다. 그러므로 전류 제한 구조와 결합된 상태의 넓은 능동 영역이 획득될 수 있다. 역 바이어스 모드(mode)에서, 포토다이오드의 능동 영역은 실질적으로 본 발명에 따른 각각의 나노와이어에 인접한 저 도핑된 영역 내에서 형성된다. 포토다이오드는 인터페이스로부터 저 도핑된 영역으로 신장되는 나노와이어의 일부에 의해 형성되는 전하 제한 구조를 포함한다. 높은 전기 필드로 인해 나노와이어는 적어도 부분적으로 공핍되고 공간 전하가 형성된다. 미리 결정된 전류 제한 효과는 p-i-n 접합의 특성들 및 동작들을 제어함으로써 획득될 수 있다. 기본적으로 상기 효과는 공핍 영역이 나노와이어들 내로 확산되는 정도에 의존한다. 이는 예를 들어 나노와이어들의 도핑 및 인접 영역에 의해 제어될 수 있다. 전류 제한 구조는 작을 수 있고, 반면에 큰 광 흡수 영역을 갖는다.
나노와이어 내의 공간 전하 저항의 대략의 추정치는:
를 제공한다.
V는 약 1미크론인 것으로 가정되는 배선 길이 l에 걸친 전압이고; J 및 I는 나노와이어 전류 밀도 밑 전류이다. A는 나노와이어 단면적(약 100nm의 직경에 대응하는 것으로 가정된다)이고, vD는 약 107cm/s로 추해지는 전하 드리프트 속도이다. 반도체(NW)의 유전율을 약 10으로 가정된다.
상기 추정은 공간 전하 저항이 매우 높고 이는:
- 내부 누설전류, 즉, 암전류를 최소화하고;
- 평면 기술에 의해 즉시 가능하지 않은 레벨들로 저항을 증가시키고;
- 순방향 바이어스된 P-i-n 디바이스들에서 큰 공간 전하 효과를 설정하고;
- 서지(surge)(파손 전압 근처에서의 급격한 전류 상승)가 존재하지 않으면 공간 전하가 역 바이어스된 디바이스들에 영향을 미치지 않으므로, 국지적인 치명적 디바이스 고장을 방지;
- I-V-특성들을 설계; 등에 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 나노와이어 포토다이오드의 상이한 구현예들은:
- 통신
- Si에 대한 넓은 에어리어, 낮은 ID, 디바이스들; 특히 장 파장 디바이스들
- mid-IR 디바이스들, 특히 카메라들; 및
- 특히 GaN과 같은 질화물 반도체들을 포함하는 나노와이어들을 이용하는 방사 경화(radiation hardened) 디바이스들
로 고려될 수 있다.
도 7을 참조하면, 평면 기술에서 널리 공지되어 있는 문제는 디바이스 주변에 국지적으로 더 높은 전기 필드들을 발생시킴으로써 때 이른 고장을 발생시키는 도핑 프로파일이 생성되는 점이다. 이를 방지하기 위해, 보호 링이 평면 애벌란치 포토다이오드들에 이용된다. 나노와이어 방법은 각각의 나노와이어와 결합되어 있는 기판에서 반도의 도핑 프로파일이 나노와이어로부터 동일한 거리에 있는 동질의 전기 필드를 발생시키기 때문에 보호 링에 대한 필요성을 제거한다. 도 7은 기판으로부터 돌출하고 각각의 나노와이어 하에서 반구의 도핑 프로파일을 갖는 나노와이어들의 어레이를 개략적으로 도시한다. 이 반구 도핑 프로파일은 많은 방법들로, 예를 들어 나노와이어 성장 중의 도펀트 확산, 또는 나노와이어 성장 이전의 도펀트 주입 또는 확산에 의해 실현될 수 있다. 대안 구조는, 나노와이어들 하에 동질의 평면 도핑을 제공하여 보호 링을 피하기 위해, 나노와이어들의 베이스(base)들 사이에서 확장하는 도핑 프로파일을 갖는 것이다. 이는 성장 이전에 또는 나노와이어 성장 이전의 본래 장소에서, 하나의 제조 단계를 추가한다. 나노와이어들 및 나노스터브들 이 둘 모두는 보호 링은 제거하는데 이용될 수 있지만, 회로 차단기 동작을 획득하기 위해 나노와이어들이 이용되어야만 한다.
본 발명은 헤테로접합 PD들을 가능하게 하고, 여기서 실제적으로 "임의의" 반도체 재료들이 결합될 수 있다. 이는 나노와이어들이 격자 오정합과 관계없이 반도체 기판들 도는 층들에서 성장될 수 있기 때문에 가능하다. 이용될 수 있는 재료들의 범위는 적어도 InSb(0,17eV)로부터 AlN(6,2eV) 사이에서 정해질 수 있으므로, 원적외선으로부터 자외선으로의 광전류 응답을 가능하게 한다. 일반적으로 흡수 영역들의 재료는 비록 흡수 영역이 더 작은 대역갭을 가질지라도 나노와이어 또는 나노스터브의 재료와 동일하고, 더 높은 대역 갭의 나노와이어를 갖는 것은 흡수층을 가지는 계단식 인터페이스를 가져서 나노와이어들을 통해 양호한 캐리어를 수집하는 것이 가능해지므로 암전류를 더 감소시키는데 유용할 것이다.
실시예들이 예로써 InGaAs/Si 구조들로 기술되었을지라도, 예를 들어 InAsP 및In, Ga, As 및 P의 임의의 상이한 조합들과 같은 다른 III-V 재료들이 이용될 수 있고, 다른 반도체 기판들이 이용될 수 있다. 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 화합물들의 화학량적 조성은 변할 수 있다. 도핑에 적절한 재료들은 당업계에 널리 공지되어 있다.
현저하게 존재하는 도펀트 종이 없는 반도체 재료는 흔히 진성 반도체 재료로 칭해지고, 이는 p-i-n 접합에서 i로 지정된다. 이 애플리케이션의 목적을 위해 진성 영역 또는 재료는 또한 진성 값과 실질적으로 필적하거나 같은 캐리어 농도가 의도되지 않게 도핑되거나 저 도핑된 p-형 또는 n-형인 영역일 수 있음이 인식되어야 한다.
광검출기에서의 상이한 영역들은 상이한 조성물의 여러 층들 또는 심지어 경사를 이루거나 조성 그레이딩(grading)을 갖거나 또는 계단식 도핑 프로파일을 갖는 층들로 구성될 수 있다. 반면에, 본 출원에서의 실시예들은 그와 같은 헤테로접합들 없이 설명되므로, 이는 출원의 범위 내에 있도록 의도된다. 단지 예로써, pn 또는 p-i-n 접합은 상술한 코어-쉘 구조를 가지고 도핑된 반도체 기판 대신에 나노와이어들 내에 헤테로 구조 세그먼트를 이용함으로써 획득될 수 있다. 더욱이, 상기 디바이스들은 일반적으로 애벌란치 모드에서 동작하도록 설계되지만 이는 명세서에 명확하게 개시되지 않는다.
표면층은 반도체 기판상에 배열되는 반도체 층을 나타내기 위해 본 출원 전체에 걸쳐 이용된다. 그와 같은 층들은 통상적으로 버퍼 층들로 칭해지고, 이는 흔히 제한된 층 두께로 인해 1-차원 특성들을 제공한다. 본 발명에 따른 표면층들은 두께가 제한되거나 1-차원 특성들로 제한되지 않는다. 오히려, 표면층은 부피와 같은 특성들을 가질 수 있다.
본 발명이 "상부", "수직", "백"의 용어들로 기술되었을지라도, 광검출기 디바이스의 공간에서의 물리적 배향성은 중요하지 않다. 이 용어들은 단지 광검출기의 상이한 피처(feature)들 사이의 상호 관계들을 기술하는데 이용된다.
본 발명이 현재가장 실용적이고 바람직한 실시예들로 고려되는 것과 관련하여 설명되었을지라도, 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않아야 하고, 오히려 첨부된 청구항들 내의 다양한 수정들 및 등가의 배열들을 커버하도록 의도된다.
1 : 제 1 영역 2 : 제 2 영역
7 : 나노와이어 9 : 광 흡수 영역
7 : 나노와이어 9 : 광 흡수 영역
Claims (21)
- 두 접촉부들 사이에 배열되며 제 1 전도 유형을 갖는 반도체 재료로 제조되는 제 1 영역 및 상기 제 1 전도 유형과 반대인 제 2 전도 유형을 갖는 반도체 재료의 제 2 영역에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 p-i-n 또는 pn 접합을 포함하는 포토다이오드로서, 상기 p-i-n 또는 pn 접합은 흡수된 광으로부터 전하 캐리어의 생성을 위해 광 흡수 영역(11)을 포함하는 포토다이오드에 있어서, 상기 p-i-n 또는 pn 접합 중 하나의 섹션(section)은 떨어져 이격되어 있고 상기 광 흡수 영역(11)으로부터 상기 전하 캐리어들을 수집하도록 배열되는 나노와이어들(7)의 어레이(array)를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 p-i-n 또는 pn 접합은 적어도 나노와이어들(7) 사이에 제공되는 저 도핑되거나 진성 반도체 재료로 제조되는 제 1 저 도핑된 영역(10) 및 상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2) 중 하나를 포함하고, 상기 광 흡수 영역(11)은 상기 실질적으로 제 1 저 도핑된 영역(10) 내에 있는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 p-i-n 또는 pn 접합은 상기 광 흡수 영역(11)에서 생성되는 전하 캐리어들의 증가를 위해 애벌란치(avalanche) 증가 영역(12)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 3 항에 있어서,
상기 애벌란치 증가 영역(12) 및 상기 광 흡수 영역(11)은 실질적으로 상기 제 1 저 도핑된 영역(10) 내에 있는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노와이어들(7) 및 상기 제 1 영역(1) 상이에 제공되는 저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 제 1 저 도핑된 영역 및 상기 나노와이어들(7) 및 상기 제 2 영역(2) 사이에 제공되는 저 도핑되거나 진성 반도체 재료로 제조되는 제 2 저 도핑된 영역을 포함하고, 상기 제 2 저 도핑된 영역은 전하 캐리어들의 생성을 위해 광 흡수 영역(11)을 형성하도록 배열되고 상기 제 1 저 도핑된 영역은 애벌란치 증가 영역(12)을 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어들(7)은 반도체 기판(3) 또는 상기 반도체 기판(3)에 배열되는 표면층(4)으로부터 돌출하고 상기 반도체 기판(3) 또는 상기 표면층(4)은 상기 제 1 영역(1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 전도 유형의 제 1 영역(1)은 상기 반도체 기판(3) 또는 상기 표면층(4) 내의 도핑된 영역이고 상기 제 1 저 도핑된 영역(10)은 상기 제 1 영역(1) 및 상기 나노와이어들(7) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 전도 유형의 제 2 영역(2)은 상기 나노와이어들(7)의 어레이에 의해 적어도 부분적으로 형성되고;
상기 제 1 영역(1)은 상기 반도체 기판(3) 내의 제 1 전도 유형의 제 1 도핑된 층에 의해 적어도 부분적으로 형성되고;
상기 제 1 전도 유형의 저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 제 1 저 도핑된 층은, 상기 제 1 저 도핑된 영역(10)을 적어도 부분적으로 형성하기 위해 상기 나노와이어들(7)의 어레이 및 상기 제 1 영역(1) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 영역(1)은 상기 반도체 기판(3) 내의 제 1 전도 유형의 제 1 도핑된 층에 의해 형성되고;
저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 제 1 저 도핑된 층은 상기 나노와이어들(7) 및 상기 제 1 영역(1) 사이에 제공되고;
상기 나노와이어들(7)은 유전체 재료(15) 또는 저 도핑되거나 진성의 반도체 층 내의 개구들을 통해 상기 제 2 전도 유형의 제 2 저 도핑된 층으로 돌출하고, 상기 저 도핑된 층은 상기 광 흡수 영역(11)을 형성하고;
상기 제 2 영역(2)은 상기 제 2 저 도핑된 층 상에 배열되는 제 2 전도 유형의 제 2 도핑된 층에 의해 적어도 부분적으로 형성되고; 상기 제 2 저 도핑된 층 내의 흡수된 광으로부터 생성되는 전하 캐리어들이 나노와이어들(7)에 의해 수집되고 상기 제 1 저 도핑된 층으로 운반되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 도핑된 층은 n + Si를 포함하고, 상기 제 1 저 도핑된 층은 n - Si를 포함하고, 상기 제 2 저 도핑된 층은 p - InGaAs를 포함하고, 상기 제 2 도핑된 층은 p + InGaAs를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 도핑된 층은 n + Si를 포함하고, 상기 제 1 저 도핑된 층은 p- Si를 포함하고, 상기 제 2 저 도핑된 층은 p- InGaAs를 포함하고, 상기 제 2 도핑된 층은 p+ InGaAs를 포함하고, 상기 제 1 도핑된 층은 애벌란치 증가 영역(12)을 형성하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 나노와이어(7)의 적어도 일부는 제 2 도핑된 층에 의해 과성장된 저 도핑된 영역을 포함하는 쉘 층(shell layer)에 의해 둘러싸이고, 상기 제 2 도핑된 층은 상기 p-i-n 접합의 제 2 영역을 적어도 부분적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
전류 제한 구조를 더 포함하고, 상기 전류 제한 구조는 유전체 재료, 절여 재료 또는 저 도핑되거나 진성 재료로 둘러싸인 각각의 나노와이어(7)의 적어도 일부분을 포함하고, 동작 시에, 상기 일부분은 미리 결정된 공간 전하 효과를 제공하기 위해 적어도 부분적으로 공핍되도록 적응되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 13 항에 있어서, 상기 전류 제한 구조의 나노와이어 부분은 도핑되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노와이어(7)는 저 도핑되거나 진성의 반도체 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노와이어(7)는 III-V 반도체 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광 흡수 영역(9)은 InGaAs, InAsP 및 InGaAsP로부터 선택되는 반도체 재료들 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2) 중 하나와 전기적으로 접속되는 투명 접촉부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드. - 제 1 항에 있어서, 상기 나노와이어들(7)은 애벌란치 증가 영역(12)을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
- 제 6 항에 있어서, 상기 반도체 기판(3) 또는 상기 표면층(4)은 각각의 나노와이어(7)와 접속되어 있는 반구의 도핑 프로파일(profile)을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
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