KR20140102944A - 실리콘 포토멀티플라이어 및 상기 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법 - Google Patents

실리콘 포토멀티플라이어 및 상기 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법 Download PDF

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KR20140102944A
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윤용선
임지은
유한영
장원익
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한국전자통신연구원
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Abstract

소자 내의 픽셀을 격리 시키는 절연층, 및 상기 절연층의 상부에 형성되어 수광 영역의 면적을 최대화 시키는 감쇠 저항을 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어의 구조를 제공하며, 상기 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법을 제공한다.

Description

실리콘 포토멀티플라이어 및 상기 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법{SILICON PHOTOMULTIPLIER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SILICON PHOTOMULTIPLIER}
본 발명의 실시예들은 충전율(Fill factor) 향상을 위한 다중 픽셀 실리콘 포토멀티플라이어 구조 및 상기 구조를 제조하는 방법에 관한 것이다.
실리콘 포토멀티플라이어(SiPM, silicon photomultiplier)는 단일 광자 추출이 가능한 소자로서, 기존의 광전증배관(PMT, Photomultiplier)에 비해 크기가 매우 작고, 동작전압이 낮으며 자기장의 영향을 적게 받는 장점으로 광전증 배관의 대체 소자로 각광받고 있다.
실리콘 포토멀티플라이어의 성능 중 하나인 광검출효율(PDE, Photon detection efficiency)은 파장에 따른 양자효율(quantum efficiency), 아발란치 기폭 확률(avalanche trigger probability), 및 수광 영역과 비수광 영역의 면적비로 정의되는 충전율(fill factor)에 의존할 수 있다.
상기 양자효율과 기폭 확률은 입사하는 빛의 파장, 표면 코팅과 도핑 구조 그리고 인가 전압에 의존하고 충전율은 구조에 의해 결정될 수 있다.
실리콘 포토멀티플라이어에서 하나의 소자 내에 픽셀 개수가 많아지면 충전율이 50% 이하로 떨어질 수 있으며, 이는 고밀도의 소자를 구현하는 경우, 감쇠 저항의 면적은 줄어들지 않는 반면에 각 픽셀에서 수광 영역의 면적은 줄어들기 때문에 충전율이 현저하게 떨어질 수 있다.
도 1은 일반적인 다중 픽셀 실리콘 포토멀티플라이어를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 다중 픽셀 실리콘 포토멀티플라이어는 수광 영역(110), 감쇠 저항(120), 금속 전극(130), 전극 접촉부(140), 및 픽셀 격리를 위한 절연층(150)으로 구성될 수 있다.
실리콘 포토멀티플라이어는 수광 영역(110) 상부에 감쇠 저항(120)이 형성되므로, 감쇠 저항(120)의 면적만큼 수광 영역(110)이 줄어들면서 충전율이 감소할 수 있다. 이러한 현상은 소자 내의 픽셀수가 증가하여 고집적화된 소자일수록 심화된다. 따라서, 실리콘 포토멀티플라이어는 충전율을 향상시키기 위한 구조 개선이 필요하다.
본 발명의 일실시예는 충전율을 향상시키기 위한 실리콘 포토멀티플라이어 구조를 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예는 소자 내의 다중 픽셀 격리(isolation)를 위한 절연층이 형성되는 비수광 영역(dead area)의 상부에 감쇠 저항(quench resister)을 위치시켜, 수광 영역을 최대화하여 충전율이 향상된 실리콘 포토멀티플라이어 구조를 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 소자 내의 픽셀을 격리 시키는 절연층, 및 상기 절연층의 상부에 형성되어 수광 영역의 면적을 최대화 시키는 감쇠 저항을 포함한다.
본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 상기 소자의 상부 패드와 상기 감쇠 저항을 연결하는 금속 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 금속 전극은 상기 감쇠 저항과 상기 수광 영역의 상부 도핑층을 연결할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 상기 절연층을 통과하여 상기 금속 전극, 상기 수광 영역 및 상기 감쇠 저항을 서로 전기적으로 연결하는 전극 접촉부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 기판, 및 상기 기판의 상부와 상기 절연층의 중간에 형성되는 중간층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 상기 중간층의 상부에 형성되는 접합 도핑층, 및 상기 접합 도핑층의 상부에 형성되는 상부 도핑층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 기판 및 상기 중간층은 에피택시(epitaxy) 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 상부 도핑층 및 상기 접합 도핑층은 이온 주입 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 상기 중간층과 상기 절연층 사이에 형성되어, 상기 상부 도핑층의 가장 자리에서 발생하는 조기 항복(premature breakdown) 현상을 방지하는 가이드 링을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 기판, 상기 중간층, 상기 접합 도핑층, 및 상기 상부 도핑층은, 실리콘 내의 도핑 타입 및 농도로 서로 구별되며, 수직 방향의 다이오드 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법은 소자 내의 픽셀을 격리 시키는 절연층을 형성하는 단계, 및 수광 영역의 면적을 최대화 시키는 감쇠 저항을 상기 절연층의 상부에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 충전율을 향상시키기 위한 실리콘 포토멀티플라이어 구조를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 소자 내의 다중 픽셀 격리(isolation)를 위한 절연층이 형성되는 비수광 영역(dead area)의 상부에 감쇠 저항(quench resister)을 위치시켜, 수광 영역을 최대화하여 충전율이 향상된 실리콘 포토멀티플라이어 구조를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 다중 픽셀 실리콘 포토멀티플라이어를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토멀티플라이어의 구조를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어의 단위 픽셀의 단면도이며, 도 2의 ‘A’선을 기준으로 도시한 수직도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 소자 내의 다중 픽셀 격리(isolation)를 위한 절연층이 형성되는 비수광 영역(dead area)의 상부에 감쇠 저항(quench resister)을 위치시켜, 수광 영역을 최대화하여 충전율이 향상된 실리콘 포토멀티플라이어 구조를 제공할 수 있다.
실리콘 포토멀티플라이어는 도핑층이 수광면에 평행하게 적층된 다이오드 구조를 가지며, 절연 파괴 전압(breakdown voltage) 이상의 전압에서 동작할 수 있다.
실리콘 포토멀티플라이어는 수광 영역에 빛(광자)이 입사하면 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 내부 자기장에 의해 가속화 됨에 따라 충돌 이온화(impact ionization)에 의해 캐리어 수가 기하급수적으로 증가하면서 신호가 증폭되어 나타날 수 있다.
상기와 같은 방식을 적용한 검출기는 병렬로 연결한 다중 픽셀로 소자를 구성하여 이로부터 동시에 발생한 전류를 측정함으로써 소자에 입사된 광자 수를 판별할 수 있다.
예를 들어, 실리콘 포토멀티플라이어의 측정 광도(light intensity)에 대한 동적 범위(dynamic range)는 소자 전체 면적에 대비한 단일 픽셀의 면적 및 개수에 의해 좌우될 수 있으므로, 동적 영역의 향상을 위해서 고밀도의 픽셀 패턴을 구성하는 것이 바람직하다.
하나의 픽셀에서 항복이 일어나는 경우, 해당 픽셀은 당분간 작동 불가능하게 되며, 과도한 전류에 의한 소자 훼손을 방지하기 위해 감쇠 저항을 픽셀의 다이오드 구조에 직렬로 연결하는 수동 감쇠(passive quenching) 방식을 적용할 수 있다.
감쇠 저항은 전기적 항복에 의한 과도 전류가 흐를 때 전압 강하(voltage drop)를 통해 소자에 걸리는 전압을 항복 전압 이하로 방전(discharging)시키는 역할을 할 수 있다.
아래에서는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토 멀티플라이어의 구조를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토멀티플라이어의 구조를 도시한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 다수의 픽셀이 병렬로 연결된 형태를 가지며, 소자 내의 픽셀을 격리 시키는 절연층(250) 및 절연층(250)의 상부에 형성되어 수광 영역(210)의 면적을 최대화 시키는 감쇠 저항(220)으로 구조화 될 수 있다.
실리콘 포토멀티플라이어는 소자의 상부 패드와 감쇠 저항(220)을 연결하는 금속 전극(230)를 형성할 수 있으며, 금속 전극(230)은 감쇠 저항(220)과 수광 영역(210)의 상부 도핑층을 연결할 수 있다.
실리콘 포토멀티플라이어는 절연층(250)을 통과하여 금속 전극(230), 수광 영역(210) 및 감쇠 저항(220)을 서로 전기적으로 연결하는 전극 접촉부(240)를 형성할 수도 있다.
빛이 입사되는 수광 영역(210)은 평면 다이오드 구조로 구성되고, 광자가 입사되면 전자-정공 쌍이 발생하여 내부 전자기장에 의하여 가속화 되면서 충돌 이온화에 의해 전기적 항복이 일어나는 곳이다. 도 1과 같이 수광 영역(110) 상부에 감쇠 저항(120)이 형성될 경우, 그 면적만큼 수광 영역(110)의 면적이 줄어들기 때문에 fill factor가 감소되는데, 이는 소자 내의 픽셀이 고밀도화가 될수록 심화된다. 따라서 도 2와 같이 감쇠 저항의 형성 영역을 변경하여 fill factor 감소를 개선시킨다.
수광 영역(210)과 직렬로 연결되는 감쇠 저항(220)은 전기적 항복에 의해 과도한 전류가 흐를 때 전압 강하를 유발하여 소자에 걸리는 전압을 항복 전압 이하로 방전(discharging)시키는 역할을 하고 폴리실리콘 등의 반도체로 구성되며, 수광 영역(210)의 상부 대신 소자 내의 픽셀 격리를 위한 절연층(250)의 상부에 형성시킴으로써 수광 영역(210)의 면적을 최대화한다.
금속 전극(230)은 실리콘 포토멀티플라이어 소자의 상부 패드를 감쇠 저항(220)과 연결하고, 각 픽셀의 감쇠 저항(220)과 수광 영역(210) 상부 도핑층을 연결하는 역할을 한다.
전극 접촉부(240)는 픽셀 격리를 위한 절연층(250)을 통과하여 금속 전극(230)과 수광 영역(210) 및 감쇠 저항(220)들을 전기적으로 연결할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 빛이 입사되는 수광 영역(210)은 평면 다이오드 구조로 구성될 수 있으며, 광자가 입사되면 전자-정공 쌍이 발생하여 내부 전자기장에 의하여 가속화 되면서 충돌 이온화에 의해 전기적 항복이 일어날 수 있다.
도 1과 같이 수광 영역(110) 상부에 감쇠 저항(120)이 형성될 경우, 그 면적만큼 수광 영역(110)의 면적이 줄어들기 때문에 충전율이 감소될 수 있으며, 이는 소자 내의 픽셀이 고밀도화가 될수록 심화될 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어는 도 2에 도시된 바와 같이, 감쇠 저항(220)의 형성 영역을 변경하여 충전율 감소를 개선시킬 수 있다.
수광 영역(210)과 직렬로 연결되는 감쇠 저항(220)은 전기적 항복에 의해 과도한 전류가 흐를 때 전압 강하를 유발하여 소자에 걸리는 전압을 항복 전압 이하로 방전(discharging)시킬 수 있다. 여기서, 감쇠 저항(220)은 폴리실리콘 등의 반도체로 구성될 수 있다.
또한, 감쇠 저항(220)은 수광 영역(210)의 상부 대신 소자 내의 픽셀 격리를 위한 절연층(250)의 상부에 형성시킴으로써, 수광 영역(210)의 면적을 최대화할 수 있다.
금속 전극(230)은 실리콘 포토멀티플라이어 소자의 상부 패드를 감쇠 저항(220)과 연결되며, 각 픽셀의 감쇠 저항(220)과 수광 영역(210) 상부 도핑층을 연결시킬 수 있다.
전극 접촉부(240)는 픽셀 격리를 위한 절연층(250)을 통과하여 금속 전극(230)과 수광 영역(210) 및 감쇠 저항(220)들을 전기적으로 연결시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일측에 따른 실리콘 포토멀티플라이어의 단위 픽셀의 단면도이며, 도 2의 'A' 선을 기준으로 도시한 수직도이다.
본 발명의 일측에 따른 실리콘 멀티플라이어는 기판(310) 및 기판(310)의 상부와 절연층(330)의 중간에 중간층(320)이 형성될 수 있다. 또한, 실리콘 멀티플라이어는 중간층(320)의 상부에 접합 도핑층(360)이 형성될 수 있으며, 접합 도핑층(360)의 상부에 상부 도핑층(370)이 형성될 수도 있다.
실리콘 포토멀티플라이어는 다수의 픽셀이 병렬로 연결된 형태를 가지며, 소자 내의 픽셀을 격리 시키는 절연층(330) 및 절연층(330)의 상부에 형성되어 수광 영역의 면적을 최대화 시키는 감쇠 저항(340)으로 구조화 될 수 있다.
금속 전극(350)은 실리콘 포토멀티플라이어 소자의 상부 패드를 감쇠 저항(340)과 연결하고, 각 픽셀의 감쇠 저항(340)과 수광 영역의 상부 도핑층(370)을 연결하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 기판(310) 및 중간층(320)은 에피택시(epitaxy) 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 상부 도핑층(370) 및 접합 도핑층(360)은 이온 주입 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
실리콘 포토멀티플라이어는 중간층(320)과 절연층(330) 사이에 가이드 링(380)이 형성될 수 있으며, 가이드 링(380)은 상부 도핑층(370)의 가장 자리에서 발생하는 조기 항복(premature breakdown) 현상을 방지할 수 있다. 여기서, 조기 항복 현상은, 설계한 절연파괴전압보다 낮은 전압에서 나타나는 현상을 의미한다.
본 발명의 일측에 따르면, 기판(310), 중간층(320), 접합 도핑층(360), 및 상부 도핑층(370)은 실리콘 내의 도핑 타입 및 농도로 서로 구별될 수 있으며, 수직 방향의 다이오드 구조로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상부 도핑층(370), 접합 도핑층(360), 중간층(320), 및 기판(310)은 각각 차례대로 p+/n/n-/n+ 도핑층 또는 n+/p/p-/p+ 도핑층일 수 있다.
픽셀 격리를 위한 절연층(330)은 소자 내의 각 픽셀을 격리시키기 위한 절연체로서 이산화규소나 질화규소 등으로 이루어질 수 있으며, 절연층(330) 영역의 상부는 감쇠 저항(340)이 형성되는 영역으로 활용될 수 있다.
아래에서는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법에 따르면, 기판을 형성하고(410), 기판의 상부에 중간층을 형성한 후(420), 소자 내의 픽셀을 격리 시키는 절연층을 중간층의 상부에 형성한다(430).
다음으로, 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법에 따르면, 중간층의 상부에 접합 도핑층을 형성하고(440), 접합 도핑층의 상부에 상부 도핑층을 형성한다(450).
마지막으로, 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법에 따르면, 수광 영역의 면적을 최대화 시키는 감쇠 저항을 절연층의 상부에 형성한다(460).
전술한 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법은 일실시예일 뿐이며, 각각의 층간 구조가 동일한 경우 어떠한 층이 먼저 형성하여도 무방하다.
본 발명의 일실시예에 따르면 충전율을 향상시키기 위한 실리콘 포토멀티플라이어 구조를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 소자 내의 다중 픽셀 격리(isolation)를 위한 절연층이 형성되는 비수광 영역(dead area)의 상부에 감쇠 저항(quench resister)을 위치시켜, 수광 영역을 최대화하여 충전율이 향상된 실리콘 포토멀티플라이어 구조를 제공할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
210: 수광 영역
220: 감쇠 저항
230: 금속 전극
240: 전극 접촉부
250: 절연층

Claims (20)

  1. 소자 내의 픽셀을 격리 시키는 절연층; 및
    상기 절연층의 상부에 형성되어 수광 영역의 면적을 최대화 시키는 감쇠 저항
    을 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소자의 상부 패드와 상기 감쇠 저항을 연결하는 금속 전극
    을 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 전극은,
    상기 감쇠 저항과 상기 수광 영역의 상부 도핑층을 연결하는 실리콘 포토멀티플라이어.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 절연층을 통과하여 상기 금속 전극, 상기 수광 영역 및 상기 감쇠 저항을 서로 전기적으로 연결하는 전극 접촉부
    를 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어.
  5. 제1항에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판의 상부와 상기 절연층의 중간에 형성되는 중간층
    을 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중간층의 상부에 형성되는 접합 도핑층; 및
    상기 접합 도핑층의 상부에 형성되는 상부 도핑층
    을 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 중간층은,
    에피택시(epitaxy) 공정을 이용하여 형성되는 실리콘 포토멀티플라이어.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 상부 도핑층 및 상기 접합 도핑층은,
    이온 주입 공정을 이용하여 형성되는 실리콘 포토멀티플라이어.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 중간층과 상기 절연층 사이에 형성되어, 상기 상부 도핑층의 가장 자리에서 발생하는 조기 항복(premature breakdown) 현상을 방지하는 가이드 링
    을 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 기판, 상기 중간층, 상기 접합 도핑층, 및 상기 상부 도핑층은,
    실리콘 내의 도핑 타입 및 농도로 서로 구별되며, 수직 방향의 다이오드 구조로 형성되는 실리콘 포토멀티플라이어.
  11. 소자 내의 픽셀을 격리 시키는 절연층을 형성하는 단계; 및
    수광 영역의 면적을 최대화 시키는 감쇠 저항을 상기 절연층의 상부에 형성하는 단계
    를 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소자의 상부 패드와 상기 감쇠 저항을 연결하는 금속 전극을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속 전극은,
    상기 감쇠 저항과 상기 수광 영역의 상부 도핑층을 연결하는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 절연층을 통과하여 상기 금속 전극, 상기 수광 영역 및 상기 감쇠 저항을 서로 전기적으로 연결하는 전극 접촉부을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    기판을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 상부와 상기 절연층의 중간에 중간층을 형성하는 단계
    을 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 중간층의 상부에 접합 도핑층을 형성하는 단계; 및
    상기 접합 도핑층의 상부에 상부 도핑층을 형성하는 단계
    을 더 포함하는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 중간층은,
    에피택시(epitaxy) 공정을 이용하여 형성되는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 상부 도핑층 및 상기 접합 도핑층은,
    이온 주입 공정을 이용하여 형성되는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 중간층과 상기 절연층 사이에 가이드 링을 형성하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 가이드 링은 상기 상부 도핑층의 가장 자리에서 발생하는 조기 항복(premature breakdown) 현상을 방지하는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 기판, 상기 중간층, 상기 접합 도핑층, 및 상기 상부 도핑층은,
    실리콘 내의 도핑 타입 및 농도로 서로 구별되며, 수직 방향의 다이오드 구조로 형성되는 실리콘 포토멀티플라이어의 제조 방법.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITUA20162954A1 (it) * 2016-04-28 2017-10-28 St Microelectronics Srl Dispositivo a semiconduttore per la rilevazione di radiazione ultravioletta e infrarossa e relativo metodo di fabbricazione
IT201800004621A1 (it) 2018-04-17 2019-10-17 Dispositivo optoelettronico ad elevata sensibilita' per la rilevazione di specie chimiche e relativo metodo di fabbricazione
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JP7153001B2 (ja) * 2019-09-18 2022-10-13 株式会社東芝 光検出器、光検出システム、ライダー装置、及び車
JP7309647B2 (ja) * 2020-03-24 2023-07-18 株式会社東芝 受光装置及び半導体装置
CN111628033B (zh) * 2020-05-28 2023-10-10 湖北京邦科技有限公司 光电探测装置的制造方法
CN114923590B (zh) * 2022-05-11 2024-02-20 中国科学院近代物理研究所 一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法和系统
CN115084295A (zh) * 2022-05-19 2022-09-20 苏州法夏科技有限公司 应用于辐射及弱光探测的硅光电倍增管结构及制备方法
CN114899268A (zh) * 2022-05-30 2022-08-12 中国科学院半导体研究所 硅光电倍增管及光电器件
CN116666404A (zh) * 2023-07-25 2023-08-29 深圳市灵明光子科技有限公司 一种spad阵列及其制作方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5801891B2 (ja) * 2010-07-30 2015-10-28 パルセータ, エルエルシーPulsetor, Llc 電子イメージングを用いて試料の画像を作成する荷電粒子線装置及び方法
KR101749240B1 (ko) * 2010-12-17 2017-06-21 한국전자통신연구원 반도체 포토멀티플라이어의 상부 광학 구조 및 그 제작 방법
KR101648023B1 (ko) * 2010-12-21 2016-08-12 한국전자통신연구원 트렌치 분리형 실리콘 포토멀티플라이어
US8871557B2 (en) * 2011-09-02 2014-10-28 Electronics And Telecommunications Research Institute Photomultiplier and manufacturing method thereof
US9087936B2 (en) * 2012-02-06 2015-07-21 Agency For Science, Technology And Research Semiconductor photomultiplier device

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