KR20110109231A - Vertical silicon photomultiplier with improved quantum efficiency at entire optical wavelengths - Google Patents

Vertical silicon photomultiplier with improved quantum efficiency at entire optical wavelengths Download PDF

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Abstract

본 발명은 자외선, 가시광, 적외선에 이르는 광대역 모두에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, p- 전도성 타입의 에피택시층 및 PN-접합층을 포함하는 다수의 마이크로 픽셀, 상기 마이크로 픽셀 주위에 배치되는 트렌치 전극, 및 상기 마이크로 픽셀 및 상기 트렌치 전극이 안착되는 동시에 외부로 연결되도록 부분적으로 개방된 상태의 기판을 포함하되, 상기 마이크로 픽셀을 구성하는 PN-접합층은, 상기 에피택시층의 내부에 수직으로 형성되고 p 전도성 타입 층 및 상기 p 전도성 타입 층의 외부에 형성되는 n+ 전도성 타입 층을 포함하며, 상기 마이크로 픽셀 내의 적어도 절반 이상의 영역에 공핍영역이 형성된 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 자외선, 가시광, 적외선에 이르는 광대역 모두에서 양자효율이 향상된 수직구조의 실리콘 광증배 소자에 따르면, 마이크로 픽셀을 구성하는 PN-접합층을 에피택시층 내에 수직으로 형성하고 그 주위에 형성되는 트렌치 전극을 구비한 다음, 그 사이에 역 바이어스를 가하여 전기장이 수평으로 형성되도록 함으로써, 전 파장 대에서 양자효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, PN-접합층 형성 시 p 전도성 타입 층 및 n+ 전도성 타입 층의 도핑 농도, 넓이 및 침투 깊이 등을 조절하여, 마이크로 픽셀 내의 넓은 영역에 공핍영역이 형성될 수 있도록 함으로써, 빛이 들어왔을 때 이온화 확률을 높이고, 이에 따른 전자사태 방전 확률도 증가시켜 센서의 양자효율을 높일 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vertical structure silicon photomultiplier with improved quantum efficiency in both broadband, ultraviolet, visible, and infrared light. More specifically, the present invention relates to a plurality of p-conductive epitaxial layers and PN-junction layers. A PN-junction layer comprising a micropixel, a trench electrode disposed around the micropixel, and a substrate in a partially open state such that the micropixel and the trench electrode are seated and connected to the outside at the same time; Is formed vertically inside the epitaxy layer and includes a p conductive type layer and an n + conductive type layer formed outside the p conductive type layer, wherein a depletion region is formed in at least half of the region in the micropixel. It is characterized by its configuration.
According to the silicon photomultiplier of the vertical structure with improved quantum efficiency in all of the broadband to ultraviolet light, visible light, and infrared light proposed by the present invention, the PN-junction layer constituting the micropixel is vertically formed in the epitaxial layer and the surroundings thereof. By providing a trench electrode formed in the substrate, and then applying a reverse bias therebetween so that the electric field is formed horizontally, the quantum efficiency can be improved in the entire wavelength band. In addition, according to the present invention, by controlling the doping concentration, the width and the depth of penetration of the p conductive type layer and the n + conductive type layer when forming the PN-junction layer, the depletion region can be formed in a large area in the micro pixel, When light enters, the probability of ionization is increased, and the probability of avalanche discharge is also increased, thereby increasing the quantum efficiency of the sensor.

Description

전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자{VERTICAL SILICON PHOTOMULTIPLIER WITH IMPROVED QUANTUM EFFICIENCY AT ENTIRE OPTICAL WAVELENGTHS}VERTICAL SILICON PHOTOMULTIPLIER WITH IMPROVED QUANTUM EFFICIENCY AT ENTIRE OPTICAL WAVELENGTHS}

본 발명은 수직구조 실리콘 광증배 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vertical silicon photomultiplier device, and more particularly, to a vertical silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency in all wavelength bands.

최근 광센서 분야에서 광전증배관(PMT, Photomultipler)을 대체하기 위해 고안된 실리콘 광증배 소자(Silicon Photomultipler, SiPM)은 기존의 광전증배관(PMT)에 비해 크기가 매우 작고, 동작 전압이 매우 낮으며(25~100V), 자기장에 영향을 받지 않는 등 큰 장점을 가지고 있다. 그러나 자외선(200~400㎚) 파장 대의 빛에서는 양자효율이 10% 이하로 매우 낮다는 문제점을 가지고 있기 때문에 전 파장 대(200~900㎚)에서 양자효율(quantum efficiency)을 극대화하는 연구가 활발하다.
In recent years, silicon photomultipler (SiPM), which is designed to replace photomultipler (PMT) in the optical sensor field, is very small in size and has a very low operating voltage compared to conventional photomultiplier (PMT). (25 ~ 100V), it is not affected by the magnetic field and has great advantages. However, there is a problem that the quantum efficiency is very low (10% or less) in light in the ultraviolet (200-400 nm) wavelength band, and researches to maximize the quantum efficiency in all wavelength bands (200-900 nm) are active. .

도 1은 일반적인 실리콘 광증배 소자(100)의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 광증배 소자(100)은 기판(140)에 다수의 마이크로 픽셀(110)을 포함하고 있다. 마이크로 픽셀(110)은 p+ 전도성 타입의 기판(140)에 5㎛ 이하의 두께로 형성된 p- 전도성 타입의 에피택시층(epitaxial layer)(130)과, 에피택시층(130) 내에 순차적으로 p 이온과 n+ 이온을 주입하여 형성된 PN-접합층(PN-Junction)(120)으로 구성된다. p형과 n형이 만나는 부분인 PN-접합층(120)에는 n형에서 p형의 방향을 가지는 전기장이 형성된다. 이때, 빛(광자)이 마이크로 픽셀(110)로 주입되면, 빛(광자)에 의해 생성된 전자-정공 짝(electron-hole pair)이 전기장에 의해 가속되면서 전자사태 방전(avalanche breakdown)을 형성하여 신호가 증폭되어 나오게 된다. 그러나 일반적인 실리콘 광증배 소자에서는 PN-접합층(120)이 기판(140)과 수평으로 형성하기 때문에 광 입사면에 형성될 수밖에 없는 여러 층이 광의 입사를 방해한다. 특히, 파장이 짧은 자외선(30) 파장 영역 대의 빛은 에피택시층(130) 내의 PN-접합층(120)까지 투입되는 확률이 낮아 양자효율이 낮아지게 된다. 또한, 빛이 입사되어 반응을 하는 에피택시층(130)의 두께가 5㎛ 정도이기 때문에 파장이 긴 적외선(20)과 같이 실리콘층을 깊게 투과하는 빛 또한 반응 확률이 낮아져서 양자효율이 낮아지는 문제점이 있다.1 is a cross-sectional view of a general silicon photomultiplier device 100. As shown in FIG. 1, the silicon photomultiplier device 100 includes a plurality of micro pixels 110 on the substrate 140. The micro pixel 110 is a p-conductive epitaxial layer 130 formed on a p + conductive substrate 140 having a thickness of 5 μm or less, and p ions sequentially in the epitaxy layer 130. And a PN-junction layer 120 formed by implanting n + ions. An electric field having a direction from n-type to p-type is formed in the PN-junction layer 120 where the p-type and n-type meet. In this case, when light (photons) are injected into the micropixel 110, an electron-hole pair generated by the light (photons) is accelerated by an electric field to form an avalanche breakdown. The signal is amplified. However, in the general silicon photomultiplier device, since the PN-junction layer 120 is formed horizontally with the substrate 140, various layers that must be formed on the light incident surface prevent the light from being incident. In particular, the light of the wavelength range of the short wavelength of ultraviolet ray 30 has a low probability of being injected to the PN-junction layer 120 in the epitaxy layer 130, thereby lowering the quantum efficiency. In addition, since the thickness of the epitaxial layer 130 where light is incident and reacts is about 5 μm, the light that penetrates deeply through the silicon layer, such as the infrared ray 20 having a long wavelength, also has a low probability of reaction, thereby lowering quantum efficiency. There is this.

본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 마이크로 픽셀을 구성하는 PN-접합층을 에피택시층 내에 수직으로 형성하고 그 주위에 형성되는 트렌치 전극을 구비한 다음, 그 사이에 역 바이어스를 가하여 전기장이 수평으로 형성되도록 함으로써, 자외선, 가시광, 적외선에 이르는 광대역 모두에서 양자효율이 크게 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
The present invention has been proposed to solve the above problems of the conventionally proposed methods, comprising: forming a PN-junction layer constituting a micro pixel vertically in an epitaxy layer and having a trench electrode formed around the same; It is an object of the present invention to provide a vertical structure silicon photomultiplier device having greatly improved quantum efficiency in both broadband, ultraviolet light, visible light, and infrared light by applying a reverse bias therebetween so that an electric field is formed horizontally.

또한, 본 발명은, PN-접합층 형성 시 p 전도성 타입 층 및 n+ 전도성 타입 층의 도핑 농도, 넓이 및 침투 깊이 등을 조절하여 마이크로 픽셀 내의 넓은 영역에 공핍영역이 형성될 수 있도록 함으로써, 입사광에 대한 이온화 확률을 높이고, 이에 따른 전자사태 방전 확률을 증가시킴으로써, 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention, by forming a PN-junction layer to control the doping concentration, the width and the depth of penetration of the p conductive type layer and the n + conductive type layer to form a depletion region in a large area in the micropixel, thereby preventing It is another object of the present invention to provide a vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency in all wavelength bands by increasing the ionization probability and increasing the probability of avalanche discharge.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자는,In order to achieve the above object, a vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency in all wavelength bands according to a feature of the present invention,

p- 전도성 타입의 에피택시층 및 PN-접합층을 포함하는 다수의 마이크로 픽셀;a plurality of micro pixels comprising an epitaxial layer and a PN-junction layer of a p- conductivity type;

상기 마이크로 픽셀 주위에 배치되는 트렌치 전극; 및A trench electrode disposed around the micro pixel; And

상기 마이크로 픽셀 및 상기 트렌치 전극이 안착되는 동시에 외부로 연결되도록 부분적으로 개방된 상태의 기판을 포함하되,And a substrate in a partially open state so that the micro pixel and the trench electrode are seated and connected to the outside.

상기 마이크로 픽셀을 구성하는 PN-접합층은, 상기 에피택시층의 내부에 수직으로 형성되고 p 전도성 타입 층 및 상기 p 전도성 타입 층의 외부에 형성되는 n+ 전도성 타입 층을 포함하며, 상기 마이크로 픽셀 내의 적어도 절반 이상의 영역에 공핍영역이 형성된 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
The PN-junction layer constituting the micropixel includes a p conductivity type layer and an n + conductivity type layer formed perpendicularly to the inside of the epitaxy layer and formed outside of the p conductivity type layer and within the micro pixel. It is characterized by its configuration that the depletion region is formed in at least half of the region.

바람직하게는, 상기 PN-접합층의 p 전도성 타입 층은,Preferably, the p conductivity type layer of the PN-junction layer is

도핑농도가 1012~1013㎝-3일 수 있다.
Doping concentration may be 10 12 ~ 10 13 cm -3 .

바람직하게는, 상기 PN-접합층의 p 전도성 타입 층은,Preferably, the p conductivity type layer of the PN-junction layer is

상기 기판으로부터의 침투깊이가 1~1.5㎛일 수 있다.
Penetration depth from the substrate may be 1 ~ 1.5㎛.

바람직하게는,Preferably,

상기 p 전도성 타입 층의 도핑에 사용되는 이온은 붕소(Boron)일 수 있다.
The ion used for the doping of the p conductivity type layer may be boron.

바람직하게는,Preferably,

상기 PN-접합층의 n+ 전도성 타입 층은, 상기 p 전도성 타입층보다 넓은 영역을 갖게 할 수 있다.
The n + conductivity type layer of the PN-junction layer may have a larger area than the p conductivity type layer.

바람직하게는, 상기 PN-접합층의 n+ 전도성 타입 층은,Preferably, the n + conductivity type layer of the PN-junction layer is

도핑농도가 1015~1017㎝-3일 수 있다.
Doping concentration may be 10 15 ~ 10 17 cm -3 .

바람직하게는, 상기 PN-접합층의 n+ 전도성 타입 층은,Preferably, the n + conductivity type layer of the PN-junction layer is

상기 기판으로부터의 침투깊이가 1㎛이하일 수 있다.
The penetration depth from the substrate may be 1 μm or less.

바람직하게는,Preferably,

상기 n+ 전도성 타입 층의 도핑에 사용되는 이온은 인(Phosphorus)일 수 있다.
The ions used for the doping of the n + conductive type layer may be phosphorus.

바람직하게는, 상기 PN-접합층은,Preferably, the PN-junction layer,

일자 구조, U자 구조, V자 구조 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.It may be formed of any one of a straight structure, U-shaped structure, V-shaped structure.

본 발명에서 제안하고 있는 자외선, 가시광, 적외선에 이르는 광대역 모두에서 양자효율이 향상된 수직구조의 실리콘 광증배 소자에 따르면, 마이크로 픽셀을 구성하는 PN-접합층을 에피택시층 내에 수직으로 형성하고 그 주위에 형성되는 트렌치 전극을 구비한 다음, 그 사이에 역 바이어스를 가하여 전기장이 수평으로 형성되도록 함으로써, 전 파장 대에서 양자효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, PN-접합층 형성 시 p 전도성 타입 층 및 n+ 전도성 타입 층의 도핑 농도, 넓이 및 침투 깊이 등을 조절하여, 마이크로 픽셀 내의 넓은 영역에 공핍영역이 형성될 수 있도록 함으로써, 입사광에 대하여 이온화 확률을 높이고, 이에 따른 전자사태 방전 확률도 증가시켜 양자효율을 높일 수 있다.According to the silicon photomultiplier of the vertical structure with improved quantum efficiency in all of the broadband to ultraviolet light, visible light, and infrared light proposed by the present invention, the PN-junction layer constituting the micropixel is vertically formed in the epitaxial layer and the surroundings thereof. By providing a trench electrode formed in the substrate, and then applying a reverse bias therebetween so that the electric field is formed horizontally, the quantum efficiency can be improved in the entire wavelength band. In addition, according to the present invention, by controlling the doping concentration, the width and the depth of penetration of the p conductive type layer and the n + conductive type layer when forming the PN-junction layer, the depletion region can be formed in a large area in the micro pixel, The probability of ionization for incident light is increased, and the probability of avalanche discharge is also increased, thereby increasing quantum efficiency.

도 1은 일반적인 실리콘 광증배 소자의 단면도.
도 2는 일반적인 실리콘 광증배 소자의 에피택시층 내의 전기장의 분포를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자를 구성하는 마이크로 픽셀의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 픽셀 내의 수직구조 PN-접합층 내의 전기장을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 픽셀 내에 형성된 공핍영역을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 일자형 구조 실리콘 광증배 소자를 구성하는 마이크로 픽셀의 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 U자형 구조 실리콘 광증배 소자를 구성하는 마이크로 픽셀의 단면도.1 is a cross-sectional view of a typical silicon photomultiplier device.
2 is a diagram showing a distribution of electric fields in an epitaxy layer of a general silicon photomultiplier device.
3 is a cross-sectional view of a micropixel constituting a vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency in all wavelength bands according to an embodiment of the present invention.
4 illustrates an electric field in a vertical PN-junction layer in a micropixel in accordance with one embodiment of the present invention.
5 illustrates a depletion region formed in a micro pixel according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of a micro pixel constituting a straight structure silicon photomultiplier device according to another embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view of a micro pixel constituting a U-shaped structure silicon photomultiplier device according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. However, in describing the preferred embodiment of the present invention in detail, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
In addition, in the entire specification, when a part is referred to as being 'connected' to another part, it may be referred to as 'indirectly connected' not only with 'directly connected' . In addition, the term 'comprising' of an element means that the element may further include other elements, not to exclude other elements unless specifically stated otherwise.

도 1은 일반적인 실리콘 광증배 소자(100)의 단면도이고, 도 2는 일반적인 실리콘 광증배 소자(100)의 에피택시층(130) 내의 전기장 분포를 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 광증배 소자(100)은 천여 개에서 수백 개의 마이크로 픽셀(micropixel)(110)로 구성된 반도체 광 다이오드이다. 실리콘 광증배 소자(100)의 마이크로 픽셀(110)의 크기는 10~100㎛로 1㎟의 면적당 마이크로 픽셀 100~1000개가 집적된다. 실리콘 광증배 소자(100)은 전압을 걸었을 때 기판(140)으로부터 수 ㎛ 깊이 내에 약한 전기장을 가함으로써 전하들의 편류 영역(drift region)을 형성하고 에피택시층(130) 내의 PN-접합층(120)에는 매우 강한 전기장이 생기게 하여 얇은 공핍영역(depletion region)을 만든다. 이 공핍영역에서 동작전압일 때 가이거 모드(Geiger mode) 방전(breakdown)을 생성한다. 센서의 마이크로 픽셀(110) 내에 입사된 광자는 전기장이 높게 걸린 공핍영역 내에서 전자사태 방전을 발생시킨다. 이때, 한 개의 광자에 의해서 얻는 전류의 증폭률(gain)은 106으로 기존 광전증배관(PMT)과 같은 정도이다.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a general silicon photomultiplier device 100, and FIG. 2 is a diagram illustrating an electric field distribution in an epitaxial layer 130 of a general silicon photomultiplier device 100. As shown in FIGS. 1 and 2, the silicon photomultiplier device 100 is a semiconductor photodiode composed of one to several hundred micropixels 110. The size of the micropixels 110 of the silicon photomultiplier device 100 is 10 to 100 μm, and 100 to 1000 micropixels are accumulated per area of 1 mm 2. Silicon photomultiplier device 100 forms a drift region of charges by applying a weak electric field within a few micrometers depth from substrate 140 when a voltage is applied to it and forms a PN-junction layer in epitaxial layer 130 ( 120 creates a very strong electric field, creating a thin depletion region. In this depletion region, a Geiger mode breakdown is generated when the operating voltage is reached. Photons incident on the micropixel 110 of the sensor generate an avalanche discharge in a depletion region in which an electric field is high. At this time, the gain of the current obtained by one photon is 10 6 , which is about the same as that of the conventional photomultiplier tube (PMT).

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 실리콘 광증배 소자(100)는 PN-접합층(120)이 기판(140)과 수평으로 형성되기 때문에 전기장이 기판(140)의 바닥 쪽으로 수직으로 형성된다. 이러한 구조에서는 파장이 짧은 자외선이 n+ 이온이 주입된 영역까지 투과될 확률이 10% 이하이므로 양자효율이 매우 작을 수밖에 없으며, n+ 영역을 얇게 제조한다고 하더라도 한계가 있다.
As shown in FIGS. 1 and 2, the conventional silicon photomultiplier device 100 has an electric field perpendicular to the bottom of the substrate 140 because the PN-junction layer 120 is formed horizontally with the substrate 140. Is formed. In such a structure, since ultraviolet rays having a short wavelength are transmitted to the region into which the n + ion is implanted, the probability of transmission is 10% or less, so the quantum efficiency is very small, and there is a limit even when the n + region is manufactured thinly.

도 3은 상기와 같은 한계를 극복하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광증배 소자(200)을 구성하는 마이크로 픽셀(210)의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전 파장 대의 양자효율이 크게 향상된 수직구조의 실리콘 광증배 소자(200)는, 가이거 모드에서 동작하는 다수의 마이크로 픽셀(210), 마이크로 픽셀(210) 주위에 배치되는 트렌치 전극(250), 및 마이크로 픽셀(210) 및 트렌치 전극(250)이 안착되는 동시에 외부로 연결되도록 부분적으로 개방된 상태의 기판(240)을 포함한다. PN-접합층(220) 상단에 유전체 및 알루미늄 스트립을 더 포함할 수도 있다.
3 is a cross-sectional view of the micropixel 210 constituting the silicon photomultiplier device 200 according to an embodiment of the present invention for overcoming the above limitations. As shown in FIG. 3, the silicon photomultiplier device 200 having a vertical structure having greatly improved quantum efficiency in all wavelength bands according to an embodiment of the present invention includes a plurality of micro pixels 210 and micros operating in Geiger mode. A trench electrode 250 disposed around the pixel 210 and a substrate 240 in a partially open state so that the micro pixel 210 and the trench electrode 250 are seated and connected to the outside. It may further include a dielectric and an aluminum strip on top of the PN-junction layer 220.

마이크로 픽셀(210)은, P- 전도성 타입의 에피택시층(230), 및 에피택시층(230) 내부에 수직으로 형성되는 PN-접합층(220)을 포함하여 구성될 수 있다. 에피택시층(230)은 반도체 소자를 만들 때 기판(240) 위에 끼우는 편향된 단일 결정 층으로서, 빛이 들어와 반응을 하는 영역이다. 본 발명에 따른 수직구조를 갖는 PN-접합층(220)은 에피택시층(230) 내에 형성되게 된다. 트렌치 전극(250)과 수직으로 형성된 PN-접합층(220) 사이에 역 바이어스를 가하여 전기장이 수평으로 형성되도록 함으로써, 파장이 짧은 자외선(30)이 PN-접합층(220)까지 들어가지 않고 표면으로 얇게 입사되어도 트렌치 전극(250)과 PN-접합층(220) 사이에 형성된 전기장에 의해 전자-정공 짝이 형성되어 애벌런치 방전이 발생하도록 한다. 또한 파장이 긴 적외선(20)이 깊이 입사되어도 PN-접합층(220)의 전기장에 반응함으로써 전 파장 대(200~900㎚)에서 양자효율을 증가시킬 수 있다. 더 나아가, PN-접합층(220) 형성 시 일정한 조건을 부가하여 공핍영역이 마이크로 픽셀(210)의 대부분을 차지하도록 넓힘으로써 양자효율을 증가시킬 수 있다. 이러한 조건에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.
The micropixel 210 may include an epitaxial layer 230 of the P-conductive type and a PN-junction layer 220 formed vertically inside the epitaxial layer 230. The epitaxy layer 230 is a deflected single crystal layer sandwiched over the substrate 240 when a semiconductor device is manufactured, and is a region where light enters and reacts. The PN-junction layer 220 having a vertical structure according to the present invention is formed in the epitaxy layer 230. The reverse bias is applied between the trench electrode 250 and the PN-junction layer 220 formed perpendicularly so that the electric field is formed horizontally, so that the short-wavelength ultraviolet light 30 does not enter the PN-junction layer 220, but the surface thereof does not enter the PN-junction layer 220. Even though it is thinly incident, electron-hole pairs are formed by an electric field formed between the trench electrode 250 and the PN-junction layer 220 to cause avalanche discharge. In addition, even when the long infrared ray 20 is deeply incident, the quantum efficiency may be increased in the entire wavelength band (200 to 900 nm) by reacting to the electric field of the PN-junction layer 220. Furthermore, quantum efficiency may be increased by widening the depletion region to occupy most of the micro pixels 210 by adding a certain condition when forming the PN-junction layer 220. These conditions will be described later in detail.

PN-접합층(220)은, 도 3에 도시된 바와 같이, p 전도성 타입 층(221), 및 p 전도성 타입 층(221)의 외부에 형성되는 n+ 전도성 타입 층(222)을 포함하여 구성될 수 있고, 에피택시층(230) 내부에 수직으로 형성된다. PN-접합 층을 형성할 때, n+ 전도성 타입 층(222)의 영역을 p 전도성 타입 층(221)의 영역보다 2㎛ 정도 두껍게 형성하면 노이즈를 감소시킬 수 있다. 또한, PN-접합층(220)의 높이를 10㎛ 정도로 형성하면 적외선(20)이 실리콘에 깊이 입사되어도 형성된 전기장에 반응할 수 있다.
The PN-junction layer 220 may be configured to include a p conductivity type layer 221 and an n + conductivity type layer 222 formed outside of the p conductivity type layer 221, as shown in FIG. 3. And may be formed vertically inside the epitaxy layer 230. When forming the PN-junction layer, noise may be reduced by forming an area of the n + conductive type layer 222 thicker than the area of the p conductive type layer 221 by about 2 μm. In addition, when the height of the PN-junction layer 220 is formed to about 10 μm, the infrared ray 20 may react with the formed electric field even when deeply incident on the silicon.

기판(240)은, 마이크로 픽셀(210) 및 트렌치 전극(250)이 안착되는 동시에 외부로 연결되도록 부분적으로 개방된 상태이다. 기판(240)은 p+ 전도성 타입이며, 실리콘으로 형성될 수 있다.
The substrate 240 is partially open so that the micro pixel 210 and the trench electrode 250 are seated and connected to the outside. The substrate 240 is of a p + conductivity type and may be formed of silicon.

트렌치 전극(250)은, 마이크로 픽셀(210) 주위에 배치되는 것으로서 금속을 증착하여 형성할 수 있다. 수직구조 PN-접합층(220)의 주위에 트렌치를 형성하여 두르고 트렌치의 내부에 금속을 증착하여 트렌치 전극(250)을 형성할 수 있다. 트렌치 전극(250)은 마이크로 픽셀(210) 주위에 정사각형 둘레, 정사각형 모서리, 육각형 모서리 중 어느 한 형태로 배치될 수 있다. 트렌치 전극(250)이 배치되는 형태에 따라 인가전압과 PN-접합층(220)과 트렌치 전극(250) 사이에 형성되는 전기장의 세기 또는 형태 등을 조절할 수 있다. 수직구조를 갖는 PN-접합층(220)의 깊이가 10㎛일 경우, 트렌치 전극(250)의 높이를 10~13㎛로 하면 PN-접합층(220)과 트렌치 전극(250) 사이에 형성되는 전기장을 수평으로 균일하게 형성할 수 있게 된다.
The trench electrode 250 is formed around the micro pixel 210 and may be formed by depositing a metal. The trench electrode 250 may be formed by forming a trench around the vertical PN-junction layer 220 and depositing a metal in the trench. The trench electrode 250 may be disposed around the micropixel 210 in one of a square circumference, a square edge, and a hexagonal edge. Depending on the shape of the trench electrode 250, the applied voltage and the strength or shape of the electric field formed between the PN-junction layer 220 and the trench electrode 250 may be adjusted. When the depth of the PN-junction layer 220 having the vertical structure is 10 μm, when the height of the trench electrode 250 is 10 μm to 13 μm, it is formed between the PN-junction layer 220 and the trench electrode 250. The electric field can be formed evenly horizontally.

본 발명에 따른 수직구조 실리콘 광증배 소자(200)는 이상 설명한 바와 같이, 구조적 특성에 의해 모든 파장의 빛에 대해 우수한 양자효율을 가질 수 있다. 특히, PN-접합층(220)을 추후 설명하는 바와 같이 일정한 조건 하에서 형성하여 공핍영역을 넓힘으로써, 보다 향상된 양자효율을 가질 수 있다.
As described above, the vertical structure silicon photomultiplier device 200 according to the present invention may have excellent quantum efficiency for light of all wavelengths due to its structural characteristics. In particular, as described later, the PN-junction layer 220 may be formed under a constant condition to widen the depletion region, thereby further improving quantum efficiency.

PN-접합층(220)의 p 전도성 타입 층(221)은, 1012~1013cm-3의 농도를 갖도록 하고, 기판(240)으로부터의 침투 깊이를 1~1.5㎛ 이내에 형성할 수 있다. 이때, 붕소(Boron) 등의 이온을 사용하여 p 타입으로 형성할 수 있다. 또한, PN-접합층(220)의 n+ 전도성 타입 층(222)은, 수직구조 트렌치 내에 p 전도성 타입 층(221)을 형성한 이후에 그 상부에 형성하되 p 전도성 타입 층(221)의 영역보다 더 넓은 영역을 갖도록 할 수 있다. n+ 전도성 타입 층(222)은 인(Phosphorus) 등의 이온을 사용하여 1015~1017cm-3의 농도를 갖는 n 타입으로 만들 수 있으며, 기판(240)으로부터의 침투 깊이를 1㎛ 이내에 형성하도록 할 수 있다.
The p conductivity type layer 221 of the PN-junction layer 220 may have a concentration of 10 12 to 10 13 cm −3 and form a penetration depth from the substrate 240 within 1 to 1.5 μm. At this time, it may be formed in p type using ions such as boron. In addition, the n + conductivity type layer 222 of the PN-junction layer 220 is formed on top of the p conductivity type layer 221 after forming the p conductivity type layer 221 in the vertical trench, but not in the region of the p conductivity type layer 221. It can have a larger area. The n + conductive type layer 222 may be made of n type having a concentration of 10 15 to 10 17 cm −3 using ions such as Phosphorus and forming a penetration depth from the substrate 240 within 1 μm. You can do that.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 픽셀(210) 내의 수직구조 PN-접합층(220) 내의 전기장(300)을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 픽셀(210) 내에 형성된 공핍영역(400)을 나타내는 도면이다. 도 4 및 도 5에서는, 본 발명의 일실시예에 따라 수직으로 PN-접합층(220)을 형성하되, 일정한 조건을 부가하였다.
FIG. 4 is a diagram illustrating an electric field 300 in a vertical structure PN-junction layer 220 in a micropixel 210 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a micropixel according to an embodiment of the present invention. A diagram showing a depletion region 400 formed in 210. 4 and 5, the PN-junction layer 220 is formed vertically in accordance with one embodiment of the present invention, but a certain condition is added.

도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 픽셀(210) 내의 수직구조 PN-접합층(220) 내에 전기장(300)이 형성되는데, 상기 설명한 바와 같이 도핑농도, 침투 깊이, 넓이 등을 조절하여 PN-접합층(220)을 형성하는 경우, n+ 전도성 타입 층(222)과 p 전도성 타입 층(221) 사이에 특히 강한 전기장이 형성되며, 형성된 전기장(300)의 크기는 4× 105V/cm 정도임을 확인할 수 있다. 이로 인해 도 5에 도시된 바와 같이, 수직구조 실리콘 광증배 소자(200)의 마이크로 픽셀(210) 내의 대부분 영역에 공핍영역(400)이 형성된다. 이는 적어도 절반 이상의 영역에 공핍영역이 형성된 것이고, 도 4에서 전기장(300)이 형성된 영역은 곧 도 5에서 공핍영역(400)이 형성된 영역에 해당한다. 이와 같이, 공핍영역(400)이 넓어짐으로써 이온들이 이온화 될 확률이 높아지고, 결과적으로 양자효율이 향상되게 된다.
As shown in FIG. 4, the electric field 300 is formed in the vertical structure PN-junction layer 220 in the micropixel 210. As described above, the PN-junction is controlled by adjusting the doping concentration, penetration depth, and width. When the layer 220 is formed, a particularly strong electric field is formed between the n + conductive type layer 222 and the p conductive type layer 221, and the size of the formed electric field 300 is about 4 × 10 5 V / cm. You can check it. As a result, as shown in FIG. 5, the depletion region 400 is formed in most of the regions of the micropixel 210 of the vertical silicon photomultiplier device 200. The depletion region is formed in at least half of the region, and the region in which the electric field 300 is formed in FIG. 4 corresponds to the region in which the depletion region 400 is formed in FIG. 5. As such, as the depletion region 400 becomes wider, the probability that ions are ionized becomes high, and consequently, quantum efficiency is improved.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 일자형 구조 실리콘 광증배 소자(200)을 구성하는 마이크로 픽셀(210)의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 U자형 구조 실리콘 광증배 소자(200)를 구성하는 마이크로 픽셀(210)의 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 수직구조 PN-접합층(220)을 형성할 때 수직구조를 V자 구조(200)가 아닌 일자형 구조(200)로 형성하거나, 도 7에 도시된 바와 같이, U자 구조(200)로 형성할 수 있다. 일자형 구조(200)나 U자 구조(200)로 PN-접합층(220)을 형성하면, V자 구조(200)에 비하여 공핍영역이 더 넓어져서 마이크로 픽셀(210) 내의 모든 영역에 공핍영역이 형성되기 때문에 양자효율은 더욱 향상될 수 있다. 이와 같이 모든 영역에 공핍영역이 형성되면 빛이 입사되었을 때 광자에 의해 공핍영역 내에서 이온들이 이온화 될 확률을 높일 수 있다. 이온화 확률이 높을수록 전자사태 방전(Avalanche breakdown)이 발생할 확률이 높아지기 때문에 빛이 들어왔을 때 손실되지 않고 모두 반응하게 되어 결론적으로 양자효율 또한 높아질 수 있다.
6 is a cross-sectional view of a micro pixel 210 constituting a straight structure silicon photomultiplier device 200 according to another embodiment of the present invention, Figure 7 is a U-shaped structure silicon photomultiplier according to another embodiment of the present invention A cross-sectional view of the micro pixel 210 constituting the device 200. As shown in FIG. 6, when forming the vertical structure PN-junction layer 220, the vertical structure is formed as a straight structure 200 instead of the V-shaped structure 200, or as shown in FIG. 7. The magnetic structure 200 may be formed. When the PN-junction layer 220 is formed with the straight structure 200 or the U-shaped structure 200, the depletion region is wider than that of the V-shaped structure 200, so that all regions in the micropixel 210 are depleted. Because it is formed, the quantum efficiency can be further improved. As such, when the depletion region is formed in all regions, the probability that ions are ionized in the depletion region by photons when light is incident may be increased. The higher the probability of ionization, the higher the probability of an avalanche breakdown, so that when the light enters it is not lost and all reacts, resulting in higher quantum efficiency.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention described above may be variously modified or applied by those skilled in the art, and the scope of the technical idea according to the present invention should be defined by the following claims.

10: 가시광선 20: 적외선
30: 자외선 100: 일반적인 실리콘 광전증배관
110: 마이크로 픽셀 120: PN-접합층
130: 에피택시층 140: 기판
200: 본 발명에 따른 실리콘 광증배 소자
210: 마이크로 픽셀 220: PN-접합층
221: p 전도성 타입 층 222: n+ 전도성 타입 층
230: 에피택시층 240: 기판
250: 트렌치 전극 300: PN-접합층 내에 형성된 전기장
400: 공핍영역10: visible light 20: infrared
30: ultraviolet ray 100: general silicon photomultiplier tube
110: micropixel 120: PN-junction layer
130: epitaxy layer 140: substrate
200: silicon photomultiplier device according to the present invention
210: micro pixel 220: PN-junction layer
221: p conductive type layer 222: n + conductive type layer
230: epitaxy layer 240: substrate
250: trench electrode 300: electric field formed in the PN-junction layer
400: depletion region

Claims (9)

전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자로서,
p- 전도성 타입의 에피택시층 및 PN-접합층을 포함하는 다수의 마이크로 픽셀;
상기 마이크로 픽셀 주위에 배치되는 트렌치 전극; 및
상기 마이크로 픽셀 및 상기 트렌치 전극이 안착되는 동시에 외부로 연결되도록 부분적으로 개방된 상태의 기판을 포함하되,
상기 마이크로 픽셀을 구성하는 PN-접합층은, 상기 에피택시층의 내부에 수직으로 형성되고 p 전도성 타입 층 및 상기 p 전도성 타입 층의 외부에 형성되는 n+ 전도성 타입 층을 포함하며, 상기 마이크로 픽셀 내의 적어도 절반 이상의 영역에 공핍영역이 형성된 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.
A vertical structure silicon photomultiplier with improved quantum efficiency over all wavelengths,
a plurality of micro pixels comprising an epitaxial layer and a PN-junction layer of a p- conductivity type;
A trench electrode disposed around the micro pixel; And
And a substrate in a partially open state so that the micro pixel and the trench electrode are seated and connected to the outside.
The PN-junction layer constituting the micropixel includes a p conductivity type layer and an n + conductivity type layer formed perpendicularly to the inside of the epitaxy layer and formed outside of the p conductivity type layer and within the micro pixel. A vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency in all wavelength bands, wherein a depletion region is formed in at least half of the region.
제1항에 있어서, 상기 PN-접합층의 p 전도성 타입 층은,
도핑농도가 1012~1013㎝-3인 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.
The method of claim 1, wherein the p conductivity type layer of the PN-junction layer,
A vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency over a full wavelength band, wherein the doping concentration is 10 12 to 10 13 cm -3 .
제1항에 있어서, 상기 PN-접합층의 p 전도성 타입 층은,
상기 기판으로부터의 침투깊이가 1~1.5㎛인 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.
The method of claim 1, wherein the p conductivity type layer of the PN-junction layer,
A vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency at a full wavelength band, characterized in that the penetration depth from the substrate is 1 ~ 1.5㎛.
제1항에 있어서,
상기 p 전도성 타입 층의 도핑에 사용되는 이온은 붕소(Boron)인 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.
The method of claim 1,
The ions used for the doping of the p-conductive type layer is boron (Boron) characterized in that the vertical structure silicon photomultiplier device with improved quantum efficiency over the entire wavelength band.
제1항에 있어서, 상기 PN-접합층의 n+ 전도성 타입 층은,
상기 p 전도성 타입 층보다 넓은 영역을 갖게 한 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.
The method of claim 1, wherein the n + conductivity type layer of the PN-junction layer,
A vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency over a full wavelength band, characterized by having a wider area than the p-conductive type layer.
제1항에 있어서, 상기 PN-접합층의 n+ 전도성 타입 층은,
도핑농도가 1015~1017㎝-3인 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.
The method of claim 1, wherein the n + conductivity type layer of the PN-junction layer,
A vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency over a full wavelength band, wherein the doping concentration is 10 15 to 10 17 cm -3 .
제1항에 있어서, 상기 PN-접합층의 n+ 전도성 타입 층은,
상기 기판으로부터의 침투깊이가 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.
The method of claim 1, wherein the n + conductivity type layer of the PN-junction layer,
A vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency over a full wavelength band, wherein the penetration depth from the substrate is 1 μm or less.
제1항에 있어서,
상기 n+ 전도성 타입 층의 도핑에 사용되는 이온은 인(Phosphorus)인 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.
The method of claim 1,
The ions used for the doping of the n + conductive type layer is Phosphorus (Phosphorus) characterized in that the vertical structure silicon photomultiplier device with improved quantum efficiency over the entire wavelength band.
제1항에 있어서, 상기 PN-접합층은,
일자 구조, U자 구조, V자 구조 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전 파장 대에서 양자효율이 향상된 수직구조 실리콘 광증배 소자.The method of claim 1, wherein the PN-junction layer,
A vertical structure silicon photomultiplier device having improved quantum efficiency in all wavelength bands, characterized in that it is formed of any one of a straight structure, a U-shaped structure, and a V-shaped structure.
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