KR20130098404A - 이중 콜렉터 ｕｔｃ 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
UTC(uni-travelling carrier) 포토다이오드는 P-형 도핑 물질의 흡수 영역(22)을 포함한다. 이 포토다이오드는 제 1 콜렉터층(23) 및 제 2 콜렉터층(24)을 더 포함하는데, 흡수 영역(22)은 제 1 콜렉터층(23)과 제 2 콜렉터층(24) 사이에 위치되며, P-형 물질로 구성되는 콘택트층(21)이 흡수 영역(22) 내에 위치된다. 이 이중 콜렉터 UTC 구조에 의해, 반응도와 대역폭 간의 절충이 개선되는데, 이는 흡수 영역(22)의 광 흡수의 결과로서 발생되는 전자들(n1, n2)의 이동에 의해 야기되는 전류가 2개의 구분된 콜렉터(23, 24)를 향해 유도되기 때문이다.
Description
본 발명은 광학 부품에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 포토 다이오드에 관한 것이다.
UTC(Uni-travelling-carrier) 포토다이오드는 통상적으로 고속 광 통신 시스템에서 사용된다. 이러한 장치는 통상적으로 들어오는 광을 전기로 변환하는 것에 기초하여 동작한다. 통상적으로, UTC는 입사 광자가 흡수되고 자유 캐리어(전자 및 정공)를 발생시키는 p-도핑 흡수 영역을 포함한다. 통상적으로, 이 흡수층에는 컬렉터라 불리는 적게 도핑된 투명 층이 이어진다. 통상적으로, 광자 흡수가 p-도핑 층에서 발생하기 때문에, 정공이 다수 캐리어이고 전자(electrons)만이 활동 캐리어이다. 광자 생성 전자는 p-도핑 영역을 통해 확산하고 공핍 콜렉터 영역에 도달한다. 역 바이어스 전압을 전술한 콜렉터 영역에 인가함으로써, 전자는 더 가속되고 n-도핑 영역에서 수집된다. 따라서, 역 전류는 생성하는 것은 통상적으로 입사 광 전력에 비례한다.
전자들만이 활동 캐리어로서 사용되므로, 정공과 전자 모두가 공핍 영역에서 이동하는 종래 PIN 포토다이오드에 비해, UTC는 통상적으로 높은 스피드 및 높은 포화 전류에 도달할 수 있다.
통상적인 UTC 구조에서, 흡수 영역은 p-도핑되고, 캐리어 드리프트층(공핍 영역이라고도 알려짐)은 통상적으로 콜렉터라 불리는 투명한, 넓은 밴드갭 물질로 구성된다. UTC의 응답 속도가 종래 PIN 검출기와 같은 디바이스에 비해 개선되었지만, 이러한 디바이스가 동작하는 대역폭과, 전방 및 후방 조명 구조에 대한 반응도 사이의 절충점이 여전히 존재한다. 실제로, 이러한 표면 조명 구조에서 높은 반응도에 도달하기 위해서는 두꺼운 흡수 영역이 통상적으로 필요하다. 그러나, 두꺼운 p-도핑 흡수 영역에서 전자 확산 시간이 디바이스의 응답을 제한할 수 있기 때문에, 고속 동작을 위해서는 얇은 흡수 영역이 바람직하다.
본 명세서의 문맥 내에서, 반응도(responsivity)라는 용어는 디바이스의 효율을 지칭하며, 검출된 전류를 입사 광 출력으로 나눈 비로 주어진다. 응답 시간이라는 용어는, 자유 전자가 생성된 흡수 영역으로부터, 자유 전자가 수집되어 특정 애플리케이션의 다른 스테이지로 디바이스로부터 출력되는 디바이스의 콜렉터에 이르기까지, 자유 전자가 이동하는 데 걸리는 시간을 지칭한다. 이러한 응답 시간은 통상적으로 p-형 도핑 흡수 영역에서의 이동 시간(흔히 확산 시간이라고 함) 및 콜렉터 영역에서의 이동 시간(흔히 드리프트 시간이라고 함)으로 이루어진다.
도 1은 공지된 UTC 구조의 밴드 구조의 일례를 개략적으로 도시하고 있는데, 전술한 종래 UTC 구조와 비교해서 대역폭과 반응도 사이의 절충을 개선하기 위한 목적으로 일부 수정을 포함한다. 이 구조(1)는 통상적으로 전기 콘택트를 제공하기 위해 사용되는 p-형 콘택트층(11)과, 상기 p-형 콘택트층을 향해 전자 확산을 차단하기 위해 사용되는 짙게 도핑된 p-형 장벽층(12)을 포함한다. 흡수 영역은 p-도핑된 제 1 층(13)과, 도핑되지 않은(또는 공핍) 제 2 층(14)을 포함한다. 흡수 영역의 제 1 및 제 2 층(13, 14)은 통상적으로 입사 광의 흡수 후에 전하 캐리어가 발생되는 층이다. 흡수 영역의 공핍층(14)은 통상적으로 입사 광의 흡수에 기여하기 위해 사용되며, p-도핑 흡수층에서의 전자 확산 시간을 실질적으로 증가시키지 않고 디바이스 반응도를 증가시킨다. 실제로, 역 바이어스 전압의 인가로 야기되는 전기장의 효과 하에서, 흡수 영역의 공핍층(14)에서 자유 전하 캐리어가 가속되는데, 자유 정공은 통상적으로 p-도핑층을 향해 드리프트하고, 자유 전자는 통상적으로 콜렉터층(15)을 향해 드리프트하는 방식이며, 자유 전자의 추가 가속을 위해 사용되는 공핍층을 포함한다. (제 1 공핍층(14) 후의) 이 제 2 공핍층은 총 공핍 영역의 두께를 증가시킴으로써 접합 용량을 감소시키는 데에 기여한다. 최종적으로, 디바이스는 전기 콘택트를 제공하기 위해 사용되는 n-도핑 콘택트층(16)을 포함한다.
그러므로, 이러한 구조에서, 총 흡수 영역(층 13 및 14)은 디바이스 응답 시간을 실질적으로 제한하지 않고 높은 반응도를 보장하기에 충분히 두꺼울 수 있다. 이러한 디바이스에서, 흡수 영역의 p-도핑층(13)의 두께를 감소시킴으로써, 생성된 전자의 확산 시간을 감소시켜서 디바이스의 응답 시간을 개선할 수 있다. 그러나, 흡수 영역의 공핍층(14)의 두께는 통상적으로 광자 생성 정공들이 광자 생성 전자들에 비교할 때 상대적으로 느린 속도로 이동하기 때문에 이들의 이동 시간에 의해 제한된다. 또한, 공간 전하 효과는 통상적으로 전술한 공핍층에서의 정공 생성과 함께 증가하며, 이는 또한, 검출기 포화 전류를 제한할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는 p-형 도핑 물질의 흡수 영역을 포함하는 UTC(uni-travelling carrier) 포토다이오드를 특징으로 하는데, 이 포토다이오드는 제 1 콜렉터층 및 제 2 콜렉터층을 더 포함하며, 흡수 영역은 이 제 1 및 제 2 콜렉터층 사이에 위치된다.
일부 특정 실시예에 따르면, 이 흡수 영역은 입사 광의 흡수에 반응하여 전자를 발생시키도록 구성되며, 일부 전자는 제 1 콜렉터층을 향해 확산하고 다른 전자는 제 2 콜렉터층을 향해 확산한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 콘택트층은 p-형 물질로 구성되며, 이 콘택트층은 흡수 영역 내에 위치된다.
일부 특정 실시예에 따르면, 흡수 영역은 p-형 물질의 도핑 레벨의 변동을 포함하는데, 이 변동은 전술한 물질의 점진적인 p-도핑 구성(gradual p-doping configuration)을 포함한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 흡수 영역의 p-형 물질은 균일한 p-도핑을 갖는 점진적인 물질 조성을 포함한다.
일부 특정 실시예에 따르면, 흡수 영역은 제 1 p-도핑 서브 영역, 제 2 p-도핑 서브 영역, 제 1 서브 영역과 제 1 콜렉터층 사이에 위치되는 제 1 공핍 섹션 및 제 2 서브 영역과 제 2 콜렉터층 사이에 위치되는 제 2 공핍 섹션을 포함한다.
일부 실시예는 전술한 특징을 갖는 포토다이오드를 포함하는 광학 장치에 관련된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징 및 장점을 첨부된 도면을 참조하여 이하의 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 설명할 것이며, 단지 예시적인 것이지 제한적인 것이 아니다.
도 1은, 전술한 바와 같이, 공지된 UTC 구조의 밴드 구조의 예시적이고 개략적인 표현이다.
도 2a는 일부 실시형태에 따른 이중 콜렉터 UTC 구조의 밴드 구조의 예시적이고 개략적인 표현이다.
도 2b는 도 2a의 이중 구조 UTC 구조의 단면의 예시적이고 개략적인 표현이다.
도 3은 일부 실시형태에 따른 이중 콜렉터 UTC 구조의 다른 밴드 구조의 예시적이고 개략적인 표현이다.
도 2a는 일부 실시형태에 따른 이중 콜렉터 UTC 구조의 밴드 구조의 예시적이고 개략적인 표현이다.
도 2b는 도 2a의 이중 구조 UTC 구조의 단면의 예시적이고 개략적인 표현이다.
도 3은 일부 실시형태에 따른 이중 콜렉터 UTC 구조의 다른 밴드 구조의 예시적이고 개략적인 표현이다.
일부 실시형태에 따르면, 반응도 및 대역폭간의 절충점을 개선하기 위해 이중 콜렉터 UTC 구조가 제안된다. 도 2a는 이러한 실시형태에 따른 이중 콜렉터 UTC 구조의 밴드 구조의 예시적이고 개략적인 표현이다. 도 2b는 도 2a에 도시된 구조의 예시적이고 개략적인 표현의 단면에 대한 표현이다. 도 2b에서, 도 2a와 동일한 요소는 동일한 참조번호로 표시되어 있다.
제안되는 구조의 한 가지 목적은, 광전류, 즉, 흡수 영역에서의 광 흡수의 결과로서 발생되는 전자의 이동에 의해 야기되는 전류를 2개의 별도의 콜렉터를 향해 분산시킴으로써, 흡수 영역에서의 캐리어 이동 시간(carriers transit time)을 감소시키고 콜렉터에서의 전류 포화를 개선하는 것이다.
도 2a 및 2b를 동시에 참조하면, 이 구조(2)는 전기 접촉을 제공하기 위해 사용되는 p-형 접촉층(21)과, 입사 광을 수신하고 흡수하면 전하 캐리어가 생성될 수 있는 흡수 영역(22)을 포함한다. 바람직하게는, 흡수 영역(22)은 p-형 물질로 구성되며, 제 1 콜렉터 층(23) 및 제 2 콜렉터 층(24) 사이에 위치된다. 도면에 도시된 바와 같이, p-형 접촉층(21)은 흡수 영역(22) 내에 위치되며, 흡수 영역(22)의 2개의 서브 영역(22a 및 22b)은 p-형 접촉층(21) 양측에 도시되어 있다. 서브 영역(22a 및 22b)은 도면에 도시된 바와 같이 각각 제 1 및 제 2 콜렉터층(23, 24)에 인접하게 위치된다. 바람직하게는, 제 1 및 제 2 콜렉터층은 적게 n-도핑된 물질로 구성된다.
바람직하게는, 흡수층(22)은 GalnAs, GalnAsP, GaAsSb, Ge 중 임의의 것으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 접촉 층(21)은 GalnAs, GalnAsP, InP 중 임의의 것으로 구성될 수 있고, 콜렉터 층(23 및 24)은 InP, GalnAsP, AllnAs 중 임의의 것으로 구성될 수 있다.
포토다이오드(2)는 제 1 n-도핑 접촉층(25) 및 제 2 n-도핑 접촉층(26)을 더 포함한다. 바람직하게는, 제 1 및 제 2 접촉층(25, 26)은, 제 1 및 제 2 콜렉터층(23, 24)의 도핑 레벨보다 높은 레벨로 n-도핑된다. 통상적인 콜렉터 도핑 농도 값은 대략 1016cm- 3 이고, 통상적인 N 접촉층 도핑 값은 대략 1018cm-3이다.
도 2b의 구조는, 입사 광의 방향 및 위치를 나타내는 화살표 A로 표시된 바와 같은 후방 조명 구성(a back-side illumination configuration )이다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 전방 조명 또는 측면 조명 등과 같은 다른 구성도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
또한, 도 2b를 참조하면, 포토다이오드(2)의 구조는, 바람직하게는 InP 물질로 구성되는 기판(20)상에 구성되며, 접촉층(21)에 대한 접촉점(27) 및 각각 제 1 및 제 2 접촉층(25, 26)에 대한 접촉점(28, 29)을 더 포함한다.
접촉점(27, 28, 29)은, 가령, 금속 콘택트일 수 있다.
이러한 구조에서, 도 2a 및 2b의 포토다이오드(2)는 다음의 방식으로 동작할 수 있다.
광 빔(A)이 도 2b에 도시된 바와 같이 후방 조명에 의해 장치에 입사한다고 가정하면, 전술한 광 빔은 포토다이오드(2) 내부에서 전파되어 흡수 영역(22)에 도달한다. 흡수 영역에서, 광자가 흡수되고, 결과적으로 전하 캐리어, 전자 및 정공이 생성된다(이 현상으로 흔히 광자 생성이라고 한다).
또한, 역 바이어스 전압이 포토다이오드에 인가되는 것으로 가정하는데, 즉, p-형 접촉층(21)은 음극에 접속되고, n-형 접촉층(25, 26)은 전압원의 양극에 접속된다. 광자 발생 홀은, 도 2a에서 화살표(h1 및 h2)로 표시된 바와 같이 음극, 즉 p-형 접촉층(21)을 향해 유인된다. 한편, p-도핑 흡수 영역에서의 확산 메커니즘 및 콜렉터층에서의 역 바이어스 전압 효과로 인해, 전자들은, 도 2b에서 화살표(n1 및 n2)로 표시된 바와 같이 양극, 즉, n-형 접촉층(25, 26)을 향해 유인된다. 그러나, 2개의 접촉층(25, 26)이 존재하기 때문에, 일부 전자들은 한 접촉층을 향해 이동하려 하고 다른 전자들은 다른 접촉층을 향해 이동하려고 할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예에 의해 제안되는 바와 같이, 전자들을 제 1 또는 제 2 접촉층을 향해 유도하는 이 가능성은, 종래 포토다이오드에 비해, 전자들의 확산 거리를 단축시켜서 포토다이오드 디바이스의 성능을 향상시킨다.
그러므로, 도 2a 및 2b의 예에 따른 흡수 영역(22)에서의 전자 확산을 위해 이용 가능한 유효 거리는, 평균적으로, 흡수 영역에 대한 유사한 두께를 갖는 종래 UTC 구조의 흡수 영역에서의 전자 확산을 위해 이용 가능한 유효 거리의 절반과 동일하다. 공지된 바와 같이, 확산 시간 상수는 거리의 제곱에 비례한다. 그러므로, 이용 가능한 평균 확산 거리를 절반으로 감소시킴으로써, 종래 구조에 비해 흡수 영역에서 4배에 이르는 확산 시간 개선이 달성될 수 있다. 이 개선은, 종래 구조에 기초하여 흡수 영역을 설계하는 것에 관해 통상적으로 존재하는 제한을 상당히 완화시킨다. 따라서, 상대적으로 두꺼운 흡수 영역을 설계함으로써 확산 시간을 실질적으로 증가시키지 않고도 상대적으로 높은 반응도가 달성될 수 있다. 그러므로, 확산 시간의 개선은 높은 대역폭 및 높은 반응도를 동시에 달성하는 가능성을 허용할 수 있다.
바람직하게는, 흡수 영역은 이를 구성하는 p-형 물질의 도핑 레벨의 변동을 갖도록 설계될 수 있다. 이러한 경우, 접촉층(21)으로부터 콜렉터층(24)으로, 구조의 길이를 따른 점진적인(gradual) p-도핑 구성이 적용될 수 있다.
이와 달리, 흡수 영역의 p-형 물질은 균일한 p-도핑 레벨을 갖는 물질의 점진적인 조성을 포함할 수 있다. 점진적인 조성이라는 표현은, InP 기판에 격자가 일치되어 유지되는 조성을 지칭한다. 제한적이지 않은 예로서, InP 기판에 격자가 일치된 적합한 합금은 ln(53%)Ga(47%)As 이다. 캐리어를 가속하기 위한 내부 포텐셜을 갖기 위해, 한 가지 방법은 InGaAsP으로 흡수 영역으로 시작하여 "P" 원소를 점진적으로 감소시켜서 (동시에 다른 원소 In 및 Ga도 격자가 일치되어 유지되도록 조절됨) ln(53%)Ga(47%)As에 도달하게 하는 것이다. 이 방안은, 구하고자 하는 결과를 위해 바람직한 내부 포텐셜을 발생시킬 수 있는 에너지 밴드 갭의 점진적인 레벨을 생성한다.
전술한 방안 중 어느 것에 따르더라도, 도핑 또는 조성 레벨의 이러한 변동은 광자 생성 전자가 가장 가까운 콜렉터층에 도달하는 것을 보장하는 관점에서 디바이스의 성능을 향상시키는 데에 기여할 수 있다. 이는, 이러한 점진적인 p-도핑 섹션 또는 점진적인 물질 조성이 내부 전기장을 발생시키는 데에 기여하여 광자 생성 전자를 가장 가까운 콜렉터층으로 가속할 수 있기 때문이다.
도 2a 및 2b의 실시예에서, 제 1 및 제 2 콜렉터(23, 24)는 각각 n-형 접촉층(25, 26)에 연결된다. 그러나, 전자의 확산에 의해 발생되어 한 콘택트층에 도달하는 전류는, 전자의 확산에 의해 발생되어 다른 콘택트층에 도달하는 전류와 합해질 수 있다는 것을 유의해야 한다. p-형 접촉층(21)은, 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 흡수 영역(22)에서 실질적으로 중간인 위치에 구성될 수 있다. 그러므로, 광자 생성 정공은 유전 완화 메커니즘(dielectric relaxation mechanism)에 의해 p-형 접촉층(21)에 의해 신속하게 수집될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 2a 및 2b와 관련하여 설명된 p-도핑 섹션에 추가하여, 흡수 영역은 대역폭과 반응도 사이의 절충을 더욱 개선하기 위해, 도 1의 공지된 UTC 구조에서 전술한 바와 같이, 1개 또는 2개의 공핍 흡수 영역을 포함할 수 있다.
도 3은 이러한 실시형태에 따른 이중 콜렉터 UTC(uni-travelling-carrier) 포토다이오드의 밴드 구조의 일례를 도시하고 있다. 도 3에서, 다르게 제공되지 않는 한, 도 2a 및 2b와 동일한 요소는 동일한 참조번호로 표시되어 있다.
그러므로, 도 2a 및 2b와 유사하게, 도 3의 구조(2)는 제 1 콜렉터층(23)과 제 2 콜렉터층(24) 사이에 위치되는 p-형 접촉층(21) 및 흡수 영역(22)을 포함한다. p-형 접촉층(21)은 흡수 영역(22) 내에 위치되며, 흡수 영역(22)의 2개의 서브 영역(22a 및 22b)은 p-형 접촉층(21) 양측에 도시되어 있다. 바람직하게는, 제 1 및 제 2 콜렉터층은 n-도핑된 물질로 구성된다. 제 1 n-도핑 접촉층(25) 및 제 2 n-도핑 접촉층(26)도 도시되어 있는데, 이들은 제 1 및 제 2 콜렉터층(23, 24)의 도핑 레벨보다 높은 레벨로 n-도핑되는 것이 바람직하다.
그러나, 도 2a 및 2b의 실시예와는 달리, 도 3의 포토다이오드의 흡수 영역(22)에는 제 1 및 제 2 서브 영역(22a, 22b) 외에도 공핍된(즉, 도핑되지 않은) 섹션(22c, 22d)가 더 제공된다. 전술한 공핍된 흡수 섹션(22c, 22d) 각각은 p-도핑 흡수 영역(22)(또는 서브 영역(22a, 22b))과 콜렉터층(23, 24) 사이의 공핍 영역의 생성을 야기한다. 이러한 공핍 영역은 적합한 역 바이어스 전압이 디바이스에 인가되면 포토다이오드의 반응도 및/또는 응답 시간을 더 증가시키는 데 기여할 수 있다.
이 방식으로 새로운 이중 콜렉터 UTC(uni-travelling-carrier) 포토다이오드가 제공되는데, 본 명세서에서 제공되는 다양한 실시예에서 설명되는 바와 같이, 종래 UTC 포토다이오드 구조와 비교하여 대역폭 및 반응도의 관점에서 개선된 성능을 제공할 수 있다. 이러한 반응도 개선은 100G 코히어런트 광 통신 시스템에서 요구되는 민감도 레벨 이상을 허용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 호환 가능하고/하거나 상보적인 한 조합될 수 있다.
또한, 청구되는 장치에 대응하는 구조의 리스트는 완전한 것이 아니며, 청구되는 발명의 범위를 벗어나지 않고 균등한 구조가 기재된 구조를 대체할 수 있음을 당업자는 인식할 것이다.
본 명세서의 임의의 블록도는 본 발명의 원리를 실시하는 예시적 회로의 개념적 도면을 나타낸다는 것을 당업자는 인식해야 한다.
Claims (6)
- UTC(uni-travelling carrier) 포토다이오드로서,
p-형 도핑 물질의 흡수 영역과,
제 1 콜렉터층 및 제 2 콜렉터층을 포함하되,
상기 흡수 영역은 상기 제 1 콜렉터층과 상기 제 2 콜렉터층 사이에 위치되며, 제 1 p-도핑 서브 영역과, 제 2 p-도핑 서브 영역과, 상기 제 1 서브 영역과 상기 제 1 콜렉터층 사이에 위치되는 제 1 공핍 섹션과, 상기 제 2 서브 영역과 상기 제 2 콜렉터층 사이에 위치되는 제 2 공핍 섹션을 포함하는
UTC 포토다이오드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 흡수 영역은 입사 광의 흡수에 반응하여 전자를 생성하도록 구성되되,
일부 전자는 상기 제 1콜렉터층을 향해 확산하며, 다른 전자는 상기 제 2 콜렉터층을 향해 확산하는
UTC 포토다이오드.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
p-형 물질로 구성되는 콘택트층이 상기 흡수 영역내에 위치하는
UTC 포토다이오드.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡수 영역은 상기 p-형 물질의 도핑 레벨의 변동을 포함하되,
상기 변동은 상기 물질의 점진적인 p-도핑 구성(gradual p-doping configuration)을 포함하는
UTC 포토다이오드.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡수 영역의 상기 P-형 물질은 점진적인 조성(gradual composition)을 포함하는
UTC 포토다이오드.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 포토다이오드를 포함하는
광학 장치.
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