KR20110105821A - 애벌란시 광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

애벌란시 광 다이오드 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110105821A
KR20110105821A KR1020117016670A KR20117016670A KR20110105821A KR 20110105821 A KR20110105821 A KR 20110105821A KR 1020117016670 A KR1020117016670 A KR 1020117016670A KR 20117016670 A KR20117016670 A KR 20117016670A KR 20110105821 A KR20110105821 A KR 20110105821A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
avalanche
doped
photodiode
avalanche photodiode
Prior art date
Application number
KR1020117016670A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101366998B1 (ko
Inventor
모핸드 아쇼스
Original Assignee
알까뗄 루슨트
탈레스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 알까뗄 루슨트, 탈레스 filed Critical 알까뗄 루슨트
Publication of KR20110105821A publication Critical patent/KR20110105821A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101366998B1 publication Critical patent/KR101366998B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

p 도핑 흡수 층(213), 의도하지 않게 도핑된 애벌란시 증식 층(203), 및 n 도핑 컬렉터 층(211)을 포함하는 단일 캐리어 애벌란시 광 다이오드(200), 및 그러한 애벌란시 광 다이오드를 제조하는 방법. 흡수 층은 광 다이오드가 단일 캐리어 소자로서 작동하게 하는 레벨로 도핑된다. 그러므로, 소자의 전체적인 지연 시간은 주로 전자에 따라 달라진다. 컬렉터 층은 소자 내의 정전용량을 감소시키는 것을 담당한다. 컬렉터 층 내의 전자의 주입을 개선하기 위해 두 개의 층 사이에 n+ δ도핑 재료로 된 빌트인 필드 층(212)이 제공될 수 있다.

Description

애벌란시 광 다이오드{AVALANCHE PHOTODIODE}
본 발명은 애벌란시 광 다이오드에 관한 것이다.
애벌란시 광 다이오드(avalanche photodiode: APD)는 그들의 내부 이득(internal gain)이 특정 응용을 위한 광 수신기(photoreceiver)의 민감도를 상당히 개선시킨다는 사실로 인해 광섬유 전송 시스템과 자유 공간 광 통신과 같은 통신에서의 많은 응용은 물론 높이 해상도(height resolution), 범위(ranging), 감지(sensing), 분광학(spectroscopy) 등과 같은 다른 광학 응용을 위한 부품으로서 폭넓게 사용된다. 현재, 10Gb/s 미만의 채널 데이터 속도에 대해 전력 버짓(power budget)을 증가시키기 위해 APD가 사용된다. 그러나, 핀 수신기(pin receiver)를 이용하여 현재 작동하고 있는 10Gb/s 이상의 데이터 속도를 갖는 고속 네트워크의 배치로 유사한 경로를 뒤따를 것이라고 여겨지고 있다. 실제로, 약 10dB까지 도달할 것으로 기대되는 민감도에서의 기대되는 상당한 개선은 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(erbium-doped fiber amplifier: EDFA)와 같은 값비싼 이득 블록 유닛을 APD로 대체하는 것을 허용하거나, 또는 몇 가지 경우에 예를 들어 약 40Gb/s의 속도에서 40Gb/s 트랜스폰더(transponder) 내의 분산 보상 모듈(dispersion compensating module)과 같은 새로운 광학 처리 요소를 도입하는 것을 허용할 수 있다.
40Gb/s와 같은 높은 비트율 응용인 경우에, 높은 민감도 애벌란시 광 다이오드를 달성하기 위해 고려되어야 할 몇 가지 중요한 문제는 높은 레벨의 반응도, 낮은 증식 이득에서의 폭넓은 대역폭, 및 최적의 이득-대역폭 곱이다.
그러한 목적을 달성하기 위해서, 최근 수년 동안 이용된 하나의 공지된 해결책은 APD를 위한 측부 조명(lateral illumination)을 사용하는 것인 데, 그것은 반응도를 손상시키지 않으면서 전이 시간(transit time)을 감소시키도록 흡수 층의 두께를 감소시키는 것을 허용하기 때문이다. 이는 통상적인 표면 조명식 APD(surface-illuminated APD)에 비해 낮은 이득에서 개선된 대역폭을 달성한다. 그러나, 이러한 유형의 APD는 또한 낮은 증식 이득에서의 폭넓은 대역폭과 높은 이득-대역폭 곱을 달성하기 위해 설계상의 제약을 갖게 된다.
그러한 하나의 제약은 소자 크기에 관련된다. 이들 소자가 소자 내의 RC 필터링 효과에 의해 야기된 대역폭에서의 제약을 개선하기 위해 소자 활성 영역의 추가 감소를 허용하지만(대체로, 대역폭은 광생성된 캐리어 전이 시간(photogenerated carriers transit time) 및 RC-저주파 통과 필터(RC-low pass filter)에 따라 달라진다), 소자 크기의 이러한 감소는 흡수 면적 및 체적의 상응하는 감소로 인해 소자 반응도를 저하시킨다.
이러한 소자의 또 다른 제약은 이득-대역폭 곱에 관한 것이다. 원칙적으로, (전이 층의 두께를 포함한) 증식 층의 두께를 감소시킴으로써, 이득-대역폭 곱을 개선시키는 것이 가능해야 한다. 그러나, (그레이딩 층(grading layer)과 전하 층으로 구성된) 과도하게 얇은 전이 층은 흡수 영역에서 원하지 않는 증식의 생성을 야기한다.
반면에, 높은 증식 이득을 달성하기 위해, 과도한 암전류 없이 광생성된 캐리어(높은 에너지를 획득한 캐리어)의 높은 이온화를 형성하도록 충분히 높은 전기장을 지원하기 위해 두꺼운 애벌란시 층이 필요하다.
본 발명의 실시예는 p 도핑 흡수 층, 의도하지 않게 도핑된 애벌란시 증식 층, 및 n 도핑 컬렉터 층을 포함하며, n 도핑 컬렉터 층은 애벌란시 층으로부터 주입된 전자를 수집할 수 있는 단일 캐리어 애벌란시 광 다이오드를 특징으로 한다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따라, 애벌란시 광 다이오드는 애벌란시 증식 층과 컬렉터 층 사이에 제공된 n+ 도핑 재료로 된 빌트인 필드 층을 포함한다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따라, p 도핑 흡수 층은 약 5×1017cm-3으로 도핑되거나, 5×1017cm-3와 2×1018cm-3 사이에서 변하는 점진적 p 도핑 레벨을 포함한다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따라, p 도핑 흡수 층은 InGaAs 재료 또는 GaAsSb 재료로 된다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따라, 컬렉터 층은 GaInAsP 재료로 된다
본 발명의 몇 가지 실시예에 따라, 빌트인 필드 층은 InAlAs 재료로 된다.
본 발명의 추가적인 실시예는 애벌란시 광 다이오드를 제조하는 방법을 특징으로 하며, 애벌란시 광 다이오드 제조 방법은,
p 도핑 흡수 층을 생성하는 단계,
의도하지 않게 도핑된 애벌란시 증식 층을 생성하는 단계, 및
n 도핑 컬렉터 층을 생성하되, n 도핑 컬렉터 층은 애벌란시 층으로부터 주입된 전자를 수집할 수 있는 단계를 포함한다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따라, 애벌란시 광 다이오드 제조 방법은 애벌란시 증식 층과 컬렉터 층 사이에 n+ 도핑 재료로 된 빌트인 필드 층을 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따라, p 도핑 흡수 층을 생성하는 단계는 약 5×1017cm-3에서의 P 도핑 흡수 층의 도핑을 포함하거나, 5×1017cm-3와 2×1018cm-3 사이에서 변하는 점진적 p 도핑 레벨을 포함한다.
도 1은 통상적인 애벌란시 광 다이오드의 구조에 대한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 애벌란시 광 다이오드의 구조에 대한 개략적인 도면이다.
본 명세서에 제안된 애벌란시 광 다이오드(avalanche photodiode: APD)의 구조를 보다 잘 이해하기 위해, 먼저 APD의 몇 가지 공지된 구조를 참조한다.
제 1 예는 벌크 AlInAs 재료 또는 AlInAs/AlGaInAs MQW(multiple quantum well: 다중 양자 우물)로 제조된 애벌란시 층과 GaInAs 재료로 된 흡수 층을 포함하는 APD 구조이다. 벌크 증식 층은 증식(multiplication)의 경우에 감소된 변동(fluctuation)에 의해 큰 이온화 계수비(k)를 허용하기에 충분할 만큼 얇게 제조되며, 여기서 k=α/β이며 α와 β는 각각 전자와 정공의 이온화 계수이다. 이는 과도한 잡음을 줄여주며 이득-대역폭 곱(gain-bandwidth product)을 향상시킨다. 측부 조명을 위한 도파관, 매우 얇은 흡수 층(약 0.5㎛) 및 매우 얇은 증식 층(약 0.1㎛)을 사용하여, APD는 낮은 이득에서 30GHz의 3dB 대역폭과 140GHz의 제한된 이득-대역폭 곱을 보여주었다. 40Gb/s에서의 고속 작동을 위해 이러한 낮은 이득-대역폭 곱이 애벌란시 이득을 바람직하지 않은 M=3 내지 4로 제한하기 때문에 이것은 만족스러운 결과가 아니다.
도 1 및 도 2는 애벌란시 광 다이오드 구조의 층의 단지 개략적이고 단순화된 도면을 도시한다는 것을 또한 주목해야 한다. 그러므로, 이들 도면은 일정한 축척에 따른 것이 아니다.
이제 단지 본 논의와 관련된 요소들만 도시되어 있는 통상적인 APD의 구조를 간단하게 설명할 목적으로 도 1을 참조한다.
도 1은 대개 InP의 기판(101), 예를 들어 InAlAs인 대개 N 도핑 재료로 된 N 접촉 층(102), 대개 비도핑 InAlAs 재료로 된 애벌란시 층(103), 대개 P 도핑 InAlAs 재료로 된 전하 층(104), 의도하지 않게 도핑된 InGaAlAs 재료로 된 그레이딩 층(grading layer: 105), 비도핑 InGaAs 재료로 된 흡수 층(106), P 도핑 InP 재료로 된 윈도우 층(107), 및 InGaAs 재료로 된 P 접촉 층(108)을 포함하는 통상적인 APD(100)의 구조를 개략적으로 도시한다. 이들 재료들은 단지 예시적인 방식으로 제공되며 당업자라면 통상적인 APD의 구성에 다른 재료가 또한 사용할 수 있다는 것을 안다는 사실을 주목해야 한다.
전술된 층의 특성은 관련 종래 기술의 당업자에게 일반적으로 알려져 있다. 간단히 말해서, 흡수 층은 애벌란시 증식 층으로 이동하는 전자/정공 쌍을 생성하기 위해 입사광으로부터 광자를 흡수할 수 있다. 애벌란시 증식 층에서, 전자와 정공은 애벌란시 효과에 의해 증식된다. 그레이딩 층은 흡수 층으로부터 애벌란시 증식 층으로의 생성된 캐리어의 순조로운 전이를 제공한다. 전하 층은 애벌란시 증식 층에 높은 전기장을 제공하는 데 기여하는 반면, 터널링 효과를 방지하기 위해 흡수 층 내의 전기장은 낮게 유지된다. P 접촉 층과 N 접촉 층은 요구된 전기장을 제공하기 위해 소자 구조 상에 인가되도록 의도된 바이어스 전압과의 접촉 가능성을 제공한다.
예를 들어 에피택셜 성장과 같은 공지된 방법에 따라 상기 층들이 형성된다.
도 2는 본 발명의 몇 가지 실시예에 따른 APD(200)의 구조를 개략적으로 도시한다. APD(200) 구조는 InP의 기판(201), 예를 들어 GaInAsP(InAlAs가 또한 대안적인 재료로서 사용될 수 있지만, 컬렉터 층이 유사한 재료인 GaInAsP를 사용하기 때문에 GaInAsP가 선호된다)인 N 도핑 재료로 된 N 접촉 층(202), 비도핑 InAlAs 재료로 된 애벌란시 층(203), P 도핑 InAlAs 재료로 된 전하 층(204), 의도하지 않게 도핑된 InGaAlAs 재료로 된 그레이딩 층(205), 이하에 상세하게 설명되는 바와 같은 흡수 층(213), P 도핑 InP 재료로 된 윈도우 층(207), 및 P 도핑 InGaAs 재료로 된 P 접촉 층(208)을 포함한다. 상기 재료들은 단지 예시적인 방식으로 제공되며 종래 기술의 당업자라면 통상적인 APD의 구성에 다른 재료가 또한 사용할 수 있다는 것을 안다는 사실을 주목해야 한다.
본 발명의 실시예에 따라, APD는 (통상적인 APD에서의 한 개의 드리프트(drift) 영역 대신에) 적어도 두 개의 드리프트 영역을 더 포함한다. 통상적인 APD와 유사한 제 1 영역은 애벌란시 증식 층(203)이다. 그러나 이러한 레벨은 바람직하게는 임팩트 이온화 과정(impact ionization process)에 의해 광 다이오드에 내부 이득을 제공하는 의도하지 않게 도핑된 AlInAs이다. 제 2 영역은 소자 내에 정전용량을 감소시키는 것을 담당하는 컬렉터 층(211)이다. 컬렉터 층(211)은 바람직하게는 애벌란시 층으로부터의 주입된 전자를 수집하는 n 도핑 (Ga)In(As)P 재료로 된다. n 도핑 컬렉터 층의 도핑 레벨은 바람직하게는 약 1×1016cm-3 정도이며 약 0.2㎛의 바람직한 두께를 갖는다.
바람직하게는, 컬렉터 층(211) 내에 전자의 주입을 개선하기 위해 애벌란시 증식 층(203)과 컬렉터 층(211) 사이에 n+ 도핑 재료로 된 빌트인 필드 층(212)이 제공된다. 빌트인 필드 층(212)은 바람직하게는 매우 얇게 제조되며, 즉 약 0.03㎛ 내지 약 0.07㎛ 정도의 두께를 갖거나 바람직하게는 약 0.05㎛의 두께를 갖는다. 빌트인 필드의 n+ 도핑 재료는 바람직하게는 높게 도핑된, 즉 약 7×1018cm-3 이상의 정도로 높게 도핑된 AlInAs이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, APD(200)의 광 흡수 층(213)은 (통상적인 APD(100)에 포함된 비도핑 흡수 층과는 대조적으로) 약간 p 도핑된다. p 도핑 광 흡수 층(213)은 예를 들어 약 5×1017cm-3의 레벨로 도핑된 GaInAs 재료로 되거나, 5×1017cm-3과 2×1018cm-3 사이에서 변하는 점진적 p 도핑 레벨을 포함한다.
대안적으로, p 도핑 흡수 층은 1.55㎛ 파장의 검출을 위해 대개 사용된 GaAsSb 재료로 될 수 있으며, 도핑 레벨은 GaInAs 재료와 대체로 유사하다.
흡수 층(213)이 이러한 레벨로 도핑된다는 사실은 광 다이오드가 단일 캐리어 소자로서 작동하게 한다. 이는 APD가 바이어스될 때 흡수 층(213) 내측의 광생성된 다수 정공(photogenerated majority hole)이 P 접촉 층(208)으로 확산하며 그에 따라 유전 완화 시간(dielectric relaxation time) 내의 비교적 고속 응답을 갖기 때문이다. P 접촉 층(208)은 폭 넓은 대역 간격(band gap)의 존재 및 인가된 전압 때문에 확산 블록 층으로서 작용함으로써 애벌란시 증식 층(203) 쪽으로 전자의 확산을 강제하며, 애벌란시 증식 층(203)에서 전자는 소자에 인가된 전기장 하에서 애벌란시 증식을 경험한다. 결과적으로, 소자는 단지 전자를 실질적으로 활성 캐리어로서 사용하는 실질적으로 단일 캐리어 소자로서 작동한다. 그러므로, 임팩트 이온화 과정에 의해 생성된 2차 정공이 (약간 p 도핑된) 인접한 흡수 층 내에 수집되므로, 소자의 전체 지연 시간은 단지 전자에 관련된다(또는 단지 전자에 따라 달라진다).
단일 캐리어 애벌란시 광 다이오드의 사용에 의해, 실질적으로 단지 광여기된 전자(photoexcited electron)가 핀 구조(pin-structure)에서 활성 캐리어로서 사용된다.
전술된 바와 같이, P 접촉 층(208)은 전자를 애벌란시 증식 층(203) 쪽으로 이동시키도록 전자 내의 일방향 이동을 야기하는 확산 블록 층으로서 작용하며, 그에 따라 순수 전자 주입 애벌란시 구조(pure electron injection avalanche structure)에 기여함으로써 잡음과 이득-대역폭 곱을 개선한다. 이는 공지된 바와 같이 잡음 수치 및 이득-대역폭 곱을 개선하기 위해 기여하는 단일 캐리어형 주입과 감소된 지연 시간 때문이다.
본 발명에 따른 새로운 APD 구조에서 애벌란시 증식 과정에 의해 생성될 수 있는 2차 정공이 p 도핑 흡수 층(213) 내에서 다수 캐리어이므로 이들 2차 정공이 p 도핑 흡수 층(213) 내측에 드리프트하게 되지 않으므로, 이들 2차 정공은 통상적인 APD 구조 내에 생성된 2차 정공에 비해 감소된 전이 시간(transit time)을 제공할 것이다.
반면에, 본 명세서에서 제안된 단일 캐리어 APD 내의 애벌란시 층(203)과 n 도핑 접촉 층(202) 사이에 컬렉터 층(211)의 존재는 전자의 n 도핑 접촉 층(202)으로의 효율적인 이동에 기여하며 소자 내의 정전용량을 감소시켜서, RC 효과 대역폭 제한(RC effect bandwidth limitation)을 개선하고(감소시키고), 결과적으로 광 다이오드 이득-대역폭 곱을 개선한다.
본 발명의 실시예에 의해 제안된 구조에 기초해서, 흡수 층은 통상적인 APD에서의 흡수 층을 위해 대개 형성된 두께(예를 들어 0.3 ㎛)에 비해 상당히 더 작은 두께(예를 들어 약 0.18㎛)로 형성될 수 있다. 이러한 감소는 전이 시간을 감소시키고 대역폭을 개선하는 데 기여한다.
새로운 해결책은 소자 구조의 단일 캐리어 작동에 의해 낮은 증식 이득에서의 개선된 대역폭과 더 높은 이득-대역폭 곱을 제공하는 데, 오버슈트(overshoot)에서의 전자 속도는 정공 포화 속도(holes saturation velocity)보다 (약 한 차수의 크기만큼) 크다. 본 명세서에서, 오버슈트는 캐리어가 평형 속도 또는 포화 속도보다 높은 속도를 달성하는 일시적인 영역에 상응한다고 이해된다.
도 1에 도시된 통상적인 APD 구조를 사용하여 그리고 주어진 소자 영역에 대해, 낮은 증식 이득에서의 넓은 대역폭과 높은 이득-대역폭 곱을 달성하기 위해, 얇은 흡수 층(106)과 얇은 애벌란시 증식 활성 층(103)을 사용하여 캐리어 전이 시간을 감소시킬 필요가 있다. 그러나, 애벌란시 증식 층(103)의 두께가 0.1㎛ 미만의 값으로 감소되면, 높은 인가된 바이어스 전압(명확하게 하기 위해, 흡수 층 내의 전기장은 낮게 유지되지만 임팩트 이온화 메카니즘에 의해 애벌란시 층에서 캐리어를 생성할 만큼 충분히 크다는 것을 주목해야 한다) 하에서의 캐리어 터널링 효과에 의한 높은 암전류(dark current)와 감소된 항복 전압(breakdown voltage)(왜냐하면 임팩트 이온화 과정을 위해 필요한 바와 같은 큰 전기장이 도달될 수 없기 때문임)의 조합에 의해 최대 이용 가능한 이득이 저하될 것이다. 또한, AlInAs 애벌란시 층은 대개 소자의 잡음 수치를 개선할 만큼 충분히 얇게 선택되지만, 이는 소자 내의 높은 정전용량을 생성하는 것을 희생하여 달성된다.
예를 들어 200nm인 특정 흡수 층 두께에 대한 전이 시간 및 증식 이득 특성과 관련하여, 실험은 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 통상적인 APD(100)의 경우에 전이 시간은 1의 증식 이득의 경우에 약 9ps의 값으로부터 10의 증식 이득의 경우에 약 16.6ps로 변할 수 있다는 것을 나타낸다.
이와 대조적으로, 본 명세서에서 제안된 바와 같은 (그리고 도 2를 참조하여 설명된 바와 같은) 단일 캐리어 APD(200)을 사용하여, 200nm의 흡수 층 두께에 대해서 전이 시간은 전술된 바와 같은 통상적인 APD(100)에 비해 약 2배만큼 개선되는 것이 실험에 의해 관찰된다. 이러한 전이 시간의 예시적인 값은 1의 증식 이득의 경우에 약 2.8ps의 값으로부터 10의 증식 이득의 경우에 약 10ps로 변한다. 또한, 컬렉터 층의 삽입은 소자 정전 용량을 감소시키고 그에 따라 관련된 저주파 통과 필터(low-pass filter) 제한을 감소시키는 데 기여하며, 따라서 낮은 이득에서의 전체적인 소자 대역폭과 이득-대역폭 곱을 개선시키는 데 기여한다.
본 발명의 실시예에 따라 획득된 APD는 측부 조명되거나 표면 조명될 수 있다.
상응하는 특허청구범위에 설명되고 인용된 바와 같은 본 발명의 방법의 단계의 순서는 제공된 바와 같은 순서에 제한되지 않으며 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다.

Claims (9)

  1. 애벌란시 광 다이오드에 있어서,
    상기 애벌란시 광 다이오드는 p 도핑 흡수 층, 의도하지 않게 도핑된 애벌란시 증식 층(avalanche multiplication layer) 및 n 도핑 컬렉터 층을 포함하고, 상기 n 도핑 컬렉터 층은 상기 애벌란시 증식 층으로부터 주입된 전자를 수집할 수 있는
    애벌란시 광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애벌란시 증식 층과 상기 n 도핑 컬렉터 층 사이에 제공된 n+ 도핑 재료로 된 빌트인 필드 층을 더 포함하는
    애벌란시 광 다이오드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 p 도핑 흡수 층은 약 5×1017cm-3으로 도핑되거나, 5×1017cm-3와 2×1018cm-3 사이에서 변하는 점진적 p 도핑 레벨을 포함하는
    애벌란시 광 다이오드.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 p 도핑 흡수 층은 InGaAs 재료 또는 GaAsSb 재료로 되는
    애벌란시 광 다이오드.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n 도핑 컬렉터 층은 GaInAsP 재료로 되는
    애벌란시 광 다이오드.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빌트인 필드 층은 InAlAs 재료로 되는
    애벌란시 광 다이오드.
  7. 애벌란시 광 다이오드를 제조하는 방법에 있어서,
    p 도핑 흡수 층을 생성하는 단계,
    의도하지 않게 도핑된 애벌란시 증식 층을 생성하는 단계, 및
    n 도핑 컬렉터 층을 생성하되, 상기 n 도핑 컬렉터 층은 상기 애벌란시 증식 층으로부터 주입된 전자를 수집할 수 있는 단계를 포함하는
    애벌란시 광 다이오드 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 애벌란시 증식 층과 상기 n 도핑 컬렉터 층 사이에 n+ 도핑 재료로 된 빌트인 필드 층을 생성하는 단계를 더 포함하는
    애벌란시 광 다이오드 제조 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 p 도핑 흡수 층 생성 단계는 상기 P 도핑 흡수 층을 약 5×1017cm-3로 도핑하는 단계를 포함하거나, 5×1017cm-3와 2×1018cm-3 사이에서 변하는 점진적 p 도핑 레벨을 포함하는
    애벌란시 광 다이오드 제조 방법.
KR1020117016670A 2008-12-18 2009-12-18 애벌란시 광 다이오드 및 그 제조 방법 KR101366998B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08305969.1 2008-12-18
EP08305969.1A EP2200096B1 (en) 2008-12-18 2008-12-18 Avalanche photodiode
PCT/EP2009/067544 WO2010070108A1 (en) 2008-12-18 2009-12-18 Avalanche photodiode

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110105821A true KR20110105821A (ko) 2011-09-27
KR101366998B1 KR101366998B1 (ko) 2014-02-24

Family

ID=40671098

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117016670A KR101366998B1 (ko) 2008-12-18 2009-12-18 애벌란시 광 다이오드 및 그 제조 방법

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20110284927A1 (ko)
EP (1) EP2200096B1 (ko)
JP (2) JP2012513110A (ko)
KR (1) KR101366998B1 (ko)
CN (1) CN102257641A (ko)
SG (1) SG172212A1 (ko)
WO (1) WO2010070108A1 (ko)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013176976A1 (en) * 2012-05-17 2013-11-28 Picometrix, Llc Planar avalanche photodiode
US10128397B1 (en) * 2012-05-21 2018-11-13 The Boeing Company Low excess noise, high gain avalanche photodiodes
CN103022218B (zh) * 2012-12-26 2015-10-21 华中科技大学 一种InAs雪崩光电二极管及其制造方法
CN103077996A (zh) * 2013-02-08 2013-05-01 中国科学院半导体研究所 一种雪崩光电探测器和提高雪崩光电探测器高频特性的方法
CN103268898B (zh) * 2013-04-18 2015-07-15 中国科学院半导体研究所 一种雪崩光电探测器及其高频特性提高方法
CN103227231A (zh) * 2013-04-19 2013-07-31 中国科学院半导体研究所 一种平面型雪崩光电探测器
US9331116B2 (en) * 2014-01-15 2016-05-03 Omnivision Technologies, Inc. Back side illuminated single photon avalanche diode imaging sensor with high short wavelength detection efficiency
US9209320B1 (en) 2014-08-07 2015-12-08 Omnivision Technologies, Inc. Method of fabricating a single photon avalanche diode imaging sensor
CN107004734A (zh) * 2014-12-05 2017-08-01 日本电信电话株式会社 雪崩光电二极管
CN104617181B (zh) * 2015-01-22 2017-05-24 苏州苏纳光电有限公司 基于ITO电流扩展层的InGaAs雪崩红外探测器及其制备方法
WO2018189898A1 (ja) * 2017-04-14 2018-10-18 三菱電機株式会社 半導体受光素子
CN107611195B (zh) * 2017-08-03 2019-09-17 天津大学 吸收层变掺杂InGaAs雪崩光电二极管及制备方法
CN107644921B (zh) * 2017-10-18 2023-08-29 五邑大学 一种新型雪崩二极管光电探测器及其制备方法
US11101400B2 (en) * 2017-11-28 2021-08-24 Luxtera Llc Method and system for a focused field avalanche photodiode
CN111403540B (zh) * 2020-01-15 2022-02-15 华中科技大学 一种雪崩光电二极管
US11056604B1 (en) * 2020-02-18 2021-07-06 National Central University Photodiode of avalanche breakdown having mixed composite charge layer
CN111312835B (zh) * 2020-02-19 2023-04-11 中国电子科技集团公司第四十四研究所 单电子传输雪崩光电二极管结构及制作方法
FR3111233B1 (fr) * 2020-06-04 2022-06-24 Thales Sa Phototransistor à hétérojonction comprenant une couche d'avalanche

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR960001467B1 (ko) * 1992-12-22 1996-01-30 한국 전기통신공사 초격자구조(superlattice)의 증폭층을 갖는 애벌란체 포토다이오드(APD:Avalanche Photodiode)
JP2845081B2 (ja) * 1993-04-07 1999-01-13 日本電気株式会社 半導体受光素子
JP2601231B2 (ja) * 1994-12-22 1997-04-16 日本電気株式会社 超格子アバランシェフォトダイオード
US20070152289A1 (en) * 2005-12-30 2007-07-05 Morse Michael T Avalanche photodetector with reflector-based responsivity enhancement
US8008688B2 (en) * 2008-04-01 2011-08-30 Jds Uniphase Corporation Photodiode and method of fabrication

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014057110A (ja) 2014-03-27
JP2012513110A (ja) 2012-06-07
US20110284927A1 (en) 2011-11-24
KR101366998B1 (ko) 2014-02-24
WO2010070108A1 (en) 2010-06-24
EP2200096B1 (en) 2019-09-18
SG172212A1 (en) 2011-07-28
EP2200096A1 (en) 2010-06-23
CN102257641A (zh) 2011-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101366998B1 (ko) 애벌란시 광 다이오드 및 그 제조 방법
US8338857B2 (en) Germanium/silicon avalanche photodetector with separate absorption and multiplication regions
US6515315B1 (en) Avalanche photodiode for high-speed applications
US20060251375A1 (en) Semiconductor waveguide-based avalanche photodetector with separate absorption and multiplication regions
EP3229279B1 (en) Avalanche photodiode
KR100375829B1 (ko) 아발란치 광 검출기
KR101666400B1 (ko) 포토다이오드 및 포토다이오드 제조 방법
EP2005229A1 (en) Photodetector
EP2808908B1 (en) High-speed photodetector
EP3447806B1 (en) Optical waveguide integrated light receiving element and method for manufacturing same
Chen et al. Top-illuminated In0. 52Al0. 48As-based avalanche photodiode with dual charge layers for high-speed and low dark current performances
Wu et al. High-speed In 0.52 Al 0.48 As based avalanche photodiode with top-illuminated design for 100 Gb/s ER-4 system
JP2004031707A (ja) アバランシ・フォトダイオード
Watanabe et al. High-speed, high-reliability planar-structure superlattice avalanche photodiodes for 10-Gb/s optical receivers
CN112563351A (zh) 一种大功率InGaAs/InP单行载流子光电探测器的设计方法
Watanabe et al. High-reliability and low-dark-current 10-Gb/s planar superlattice avalanche photodiodes
JP7445152B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
WO2016017126A1 (ja) アバランシェフォトダイオード
Arshad et al. Comparison on IV characteristics analysis between Silicon and InGaAs PIN photodiode
KR101933777B1 (ko) 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기
Nada et al. Inverted p-down Design for High-Speed Photodetectors. Photonics 2021, 8, 39
Dong et al. Ge0. 9Sn0. 1 multiple-quantum-well pin photodiodes for optical communications at 2 μm
JP2000082837A (ja) 半導体受光素子
David Low noise avalanche photodiodes
Torikai et al. 40-Gbps high-sensitive waveguide photodetectors

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170210

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180209

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190116

Year of fee payment: 6