KR20180086667A - Photon detector with quantum well structure - Google Patents

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KR20180086667A
KR20180086667A KR1020170010391A KR20170010391A KR20180086667A KR 20180086667 A KR20180086667 A KR 20180086667A KR 1020170010391 A KR1020170010391 A KR 1020170010391A KR 20170010391 A KR20170010391 A KR 20170010391A KR 20180086667 A KR20180086667 A KR 20180086667A
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서현석
박승환
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서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a photon detector employing a quantum well structure. According to the present invention, the photon detector comprises: a substrate including n + InP; a buffer layer formed on the substrate; an absorption layer formed on the buffer layer and including InGaAs; a charge layer formed on the absorption layer and including the n + InP; a multiplication layer formed on the charge layer; and a diffusion layer formed on the multiplication layer and including p + InP. Therefore, since the photon detector can absorb light even in a quantum well layer of the multiplication layer, the photon detector can reduce a tunneling phenomenon by reducing a thickness of the existing absorption layer, and can achieve high photocurrent and low dark current.

Description

양자우물 구조를 채용한 광자 검출기{PHOTON DETECTOR WITH QUANTUM WELL STRUCTURE}[0001] PHOTON DETECTOR WITH QUANTUM WELL STRUCTURE [0002]

본 발명은 광자 검출기에 관한 것으로, 보다 상세히 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a photon detector, and more particularly to a photon detector employing a quantum well structure.

PIN 아발란체 포토다이오드는 PN접합 사이에 I영역을 삽입하고 큰 역전압을 가해 아발란체 효과를 일으켜 사용한다. PIN 아발란체 포토다이오드에 큰 역전압을 인가했을 때 광흡수로 생성된 전자는 I영역에서 높은 전기장에 의해 가속되어 원자에 구속되어 있는 다른 전자에 충돌하면서 자신은 에너지를 잃고 전자를 원자로부터 떼어내 이온화한다.The PIN avalanche photodiode inserts the I region between the PN junctions and applies a large reverse voltage to produce an avalanche effect. When a large reverse voltage is applied to a PIN avalanche photodiode, electrons generated by light absorption are accelerated by a high electric field in the I region, colliding with other electrons confined in the atoms, losing energy and releasing electrons from the atoms It is ionized.

즉, 밸런스 밴드의 전자를 컨덕션 밴드로 여기시키면서 전자-홀 쌍이 생성된다. 생성된 전자와 홀은 분리되어 전기장에 의해 가속되고 다른 전자에 부딪히면서 이온화하는 과정을 반복한다. 캐리어는 지수함수적으로 증가하면서 큰 전류를 만들어내는데, 이러한 효과를 아발란체 효과라고 한다.That is, an electron-hole pair is generated while exciting the electrons of the balanced band to the conduction band. The generated electrons and holes are separated and accelerated by the electric field and repeatedly ionized while hitting other electrons. The carrier exponentially increases and produces a large current, which is called the avalanche effect.

아발란체 효과로 높은 전류이득을 얻기 위해 큰 역전압을 걸어주면 밴드가 휘어지면서 I영역에서 밸런스 밴드와 컨덕션 밴드이 에너지 값이 동일해지는 구간이 생기고, 밴드가 크게 휠수록 구간이 얇아서 밸런스 밴드의 전자가 금지대 영역을 통과해 컨덕션 밴드로 이동할 확률이 생긴다. 이러한 현상을 터널링 효과라고 한다.If a large reverse voltage is applied to obtain a high current gain due to the avalanche effect, the band is bent so that the energy value of the balanced band and the conduction band becomes equal to each other in the I region. When the band is increased, There is a probability that the electrons will pass through the forbidden band region and move to the conductive band. This phenomenon is called tunneling effect.

포토 다이오드의 경우, 입사된 빛이 없을 때도 터널링 효과에 의한 전류가 아발란체 효과에 의해 증폭되어 큰 전류를 흐르게 할 수 있다. 이러한 현상은 암전류를 증가시켜 광 검출의 신뢰도를 낮추게 된다.In the case of a photodiode, even when there is no incident light, the current due to the tunneling effect can be amplified by the avalanche effect to allow a large current to flow. This phenomenon increases the dark current and lowers the reliability of photodetection.

따라서, 효율적인 광 검출을 위해서 아발란체 효과를 사용하면서 터널링 효과는 억제할 수 있는 포토 다이오드가 요구되어지고 있다.Therefore, a photodiode capable of suppressing the tunneling effect while using the avalanche effect is required for efficient optical detection.

대한민국 등록특허공보 10-0375829Korean Patent Publication No. 10-0375829

그에 따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 아발란체 효과를 사용하면서 터널링 효과는 억제할 수 있는 광자 검출기를 제공하는 것이다.Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to provide a photon detector capable of suppressing the tunneling effect while using the avalanche effect.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 광자 검출기는 기판, 흡수층, 전하층, 증배층 및 확산층을 포함한다. 상기 기판은 n+ InP를 포함한다. 상기 흡수층은 상기 기판 상부에 형성되고, InGaAs를 포함한다. 상기 전하층은 상기 흡수층 상부에 형성되고, n+ InP를 포함한다. 상기 증배층은 상기 전하층 상에 형성된다. 상기 확산층은 상기 증배층 상부에 형성되고, p+ InP를 포함한다. 상기 증배층은 하부 장벽층, 상부 장벽층 및 다층의 양자 우물층을 포함한다. 상기 하부 장벽층 및 상부 장벽층은 n InP를 포함한다. 상기 양자 우물층은 상기 하부 장벽층 및 상부 장벽층 사이에 형성되고, GaAs 우물과 InP 장벽으로 구성된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, there is provided a photodetector including a substrate, an absorption layer, a charge layer, a multiplication layer, and a diffusion layer. The substrate includes n + InP. The absorber layer is formed on the substrate and includes InGaAs. The charge layer is formed on the absorber layer and includes n + InP. The multiplication layer is formed on the charge layer. The diffusion layer is formed on the growth layer and includes p + InP. The multiplication layer includes a lower barrier layer, a top barrier layer, and a multi-layer quantum well layer. The lower and upper barrier layers include n InP. The quantum well layer is formed between the lower barrier layer and the upper barrier layer and is composed of a GaAs well and an InP barrier.

예컨대, 상기 증배층은 0.29um 이하의 두께를 갖을 수 있다.For example, the multiplication layer may have a thickness of 0.29 um or less.

예컨대, 상기 흡수층은 0.3um의 두께를 갖을 수 있다.For example, the absorbent layer may have a thickness of 0.3 um.

한편, 이러한 광자 검출기는, 상기 흡수층 및 상기 전하층 사이에 형성된 그레이딩층을 더 포함할 수 있다.The photon detector may further include a grading layer formed between the absorption layer and the charge layer.

이때, 상기 그레이딩층은 In1-xGaxAsyP1-y를 포함할 수 있다(0<x<1, 0<y<1).At this time, the grading layer may include In 1-x Ga x As y P 1-y (0 <x <1, 0 <y <1).

또한, 이러한 광자 검출기는, 상기 기판과 상기 흡수층 사이에 n InP를 포함하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.The photon detector may further include a buffer layer including n InP between the substrate and the absorber layer.

이와 같이 본 발명에 의한 광자검출기에 의하면, 양자우물 구조를 채택하여, 증배층의 양자우물에서도 빛의 흡수가 가능하므로 기존의 흡수층 두께를 줄일 수 있다.As described above, the photon detector according to the present invention adopts a quantum well structure and can absorb light even in the quantum well of the multiplication layer, so that the thickness of the conventional absorption layer can be reduced.

또한, 흡수층 두께를 줄임으로써 높은 바이어스에서 BBT(Band-to-Band Tunneling)가 일어나는 현상을 줄일 수 있고, 높은 광전류와 낮은 암전류를 얻을 수 있는 효과가 있다. In addition, by reducing the thickness of the absorber layer, it is possible to reduce the occurrence of band-to-band tunneling (BBT) at a high bias and to obtain a high photocurrent and a low dark current.

도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 광자 검출기의 적층 구조를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 300K에서 InGaAs/InP 8.2nm의 양자우물 에너지 레벨을 계산한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 Silvaco TCAD를 이용해 본발명의 광자 검출기와 종래기술의 벌크(bulk) 광자 검출기의 I-V 곡선을 시뮬레이션한 그래프이다.
1 is a schematic cross-sectional view showing a laminated structure of a photon detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a graph showing a result of calculating the quantum well energy level of InGaAs / InP of 8.2 nm at 300K.
3 is a graph simulating IV curves of a photon detector of the present invention and a prior art bulk photon detector using Silvaco TCAD.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 과장하여 도시한 것일 수 있다. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures may be exaggerated to illustrate the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, A와 B가'연결된다', '결합된다'라는 의미는 A와 B가 직접적으로 연결되거나 결합하는 것 이외에 다른 구성요소 C가 A와 B 사이에 포함되어 A와 B가 연결되거나 결합되는 것을 포함하는 것이다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprising" or "having ", and the like, are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof. In addition, A and B are 'connected' and 'coupled', meaning that A and B are directly connected or combined, and other component C is included between A and B, and A and B are connected or combined .

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 방법 발명에 대한 특허청구범위에서, 각 단계가 명확하게 순서에 구속되지 않는 한, 각 단계들은 그 순서가 서로 바뀔 수도 있다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not. Also, in the claims of a method invention, each step may be reversed in order, unless the steps are clearly constrained in order.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 광자 검출기의 적층 구조를 도시한 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a laminated structure of a photon detector according to an exemplary embodiment of the present invention.

상기 광자 검출기는, n+ InP를 포함하는 기판(100), 상기 기판(100) 상부에 형성되는 버퍼층(200), 상기 버퍼층(200) 상부에 형성되며 InGaAs를 포함하는 흡수층(300), 상기 흡수층(300) 상부에 형성되고, n+ InP를 포함하는 전하층(500), 상기 전하층(500) 상에 형성된 증배층(600) 및 상기 증배층(600) 상부에 형성되고, p+ InP를 포함하는 확산층(700)을 포함한다.The photon detector includes a substrate 100 including n + InP, a buffer layer 200 formed on the substrate 100, an absorber layer 300 formed on the buffer layer 200 and containing InGaAs, 300 and a diffusion layer 600 formed on the charge layer 500 and a diffusion layer 600 formed on the growth layer 600 and including p + InP, (700).

상기 흡수충은 InGaAs를 포함하며, 이에 따라 1.55um 파장의 빛을 잘 흡수하여 자유 전자와 정공을 형성한다.The absorption layer contains InGaAs, which absorbs light with a wavelength of 1.55 nm to form free electrons and holes.

상기 흡수층(300)에서 형성된 자유전자와 정공은, 아발란체 효과를 얻기 위하여 상기 광자 검출기에 가해지는 높은 역 전압에 따라 이동하며, 전기장에 의해 가속되고 다른 전자와 충동하면서 큰 전류이득을 얻을 수 있게 된다. 바람직하게, 상기 흡수층(300)은 InGaAs 흡수층(300)의 두께는 0.3um일 수 있다. 본 발명의 광자 검출기는 상기 흡수층(300)을 기존의 0.8um에서 0.3um의 두께로 줄여 더 높은 광전류와 낮은 암전류를 얻을 수 있다.The free electrons and holes formed in the absorber layer 300 move according to a high reverse voltage applied to the photon detector to obtain an avalanche effect and are accelerated by an electric field and impinge on other electrons to obtain a large current gain . The thickness of the InGaAs absorption layer 300 may be 0.3 um. In the photon detector of the present invention, the absorbing layer 300 may be reduced from 0.8 μm to 0.3 μm to obtain a higher photocurrent and a lower dark current.

상기 흡수층(300) 상부에 형성되는 n+ InP 전하층(500)은 상기 광자 검출기에 높은 역 전압에 따른 터널링 효과가 발생하여 암전류가 증가하는 문제가 발생하는 것을 방지 할 수 있도록, 전기장을 크게 낮추기 위해 1016cm-1의 농도로 n 도핑하여 상기 흡수층(300)과 상기 증배층(600) 사이의 영역에 형성된다. The n &lt; + &gt; InP charge layer 500 formed on the absorber layer 300 has a function of significantly reducing the electric field to prevent a problem of increasing dark current due to a tunneling effect due to a high reverse voltage applied to the photon detector And is formed in a region between the absorption layer 300 and the multiplication layer 600 by n-doping at a concentration of 10 16 cm -1 .

한편, 상기 흡수층(300) 및 상기 전하층(500) 사이에는 그레이딩 층(400)이 형성될 수 있다. InGaAs와 InP는 큰 에너지 밴드갭 차이를 가지고 있기 때문에, 상기 흡수층(300) 및 전하층(500)은 접합면에서 전위장벽이 생성되므로, 정공이 넘어가지 못하고 축적되고, 축적된 정공은 전자를 만나 재결합 되면서 전류의 흐름에 기여하지 못하는 현상이 나타날 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위하여 InP와 InGaAs의 중간 크기의 밴드갭을 갖는 In1 - xGaxAsyP1 -y 화합물을 사용하여 상기 그레이딩 층(400)을 형성함으로써 전위 장벽을 줄일 수 있다. 상기 그레이딩 층(400)의 밴드갭 크기는 InGaAsP의 x와 y의 비율에 따라 조절할 수 있다. Meanwhile, a grading layer 400 may be formed between the absorption layer 300 and the charge layer 500. Since InGaAs and InP have a large energy bandgap difference, a potential barrier is generated in the bonding layer 300 and the charge layer 500, so that the holes can not pass over and accumulate, and the accumulated holes meet the electrons In order to prevent this phenomenon from being contributed to the current flow while being recombined, it is preferable to use the In 1 - x Ga x As y P 1 - y compound having a medium band gap of InP and InGaAs, The potential barrier can be reduced. The band gap size of the grading layer 400 can be controlled according to the ratio of x and y of InGaAsP.

상기 전하층(500) 상에는 상기 증배층(600)이 형성되며, 상기 증배층(600)은 도핑농도를 1015cm-1로 낮춰 큰 전기장을 유지하여, 캐리어에 역전압을 가해 증배 효율을 유지할 수 있도록 한다. 바람직하게, 상기 증배층(600) 두께는 최적의 아발란체 효과를 가지기 위하여 0.29um로 형성될 수 있다.The multiplication layer 600 is formed on the charge layer 500. The multiplication layer 600 has a doping concentration of 10 15 cm -1 to maintain a large electric field to apply a reverse voltage to the carrier to maintain the multiplication efficiency . Preferably, the thickness of the multiplication layer 600 may be formed to 0.29 um in order to have an optimal avalanche effect.

한편, 상기 증배층(600)은 n InP를 포함하는 하부 장벽층(610) 및 상부 장벽층(620)을 포함하고, 또한, 상기 하부 장벽층(610) 및 상부 장벽층(620) 사이에 형성되는 다층의 양자우물층(630)을 포함할 수 있다. The growth layer 600 includes a lower barrier layer 610 and an upper barrier layer 620 including n InP and is formed between the lower barrier layer 610 and the upper barrier layer 620 Layer quantum well layer 630, which may be a multi-layer quantum well layer.

다층의 상기 양자우물층은 전위장벽의 모양을 1차원의 사각형 우물 모양으로 형성하도록 배치되는 층을 말한다. The quantum well layer of the multi-layer is a layer arranged to form the shape of the potential barrier into a one-dimensional rectangular well.

전자가 주변에 우물과 같이 높은 전위장벽으로 둘러싸인 좁은 공간에 갇혀있게 되면 전자의 에너지 레벨이 양자화 되는 등 여러 가지 양자효과가 나타나게 된다. 이러한 양자우물 구조에서 밸런스밴드와 컨덕션밴드에는 양자화된 에너지 레벨이 형성되며, 양자화 된 에너지레벨 차이만큼의 빛이 입사되면 전자가 에너지를 받아 전이하게 된다.When electrons are trapped in a narrow space surrounded by a high potential barrier like a well, various quantum effects such as quantization of the energy level of electrons are produced. In the quantum well structure, a quantized energy level is formed in the balance band and the conduction band. When light corresponding to the quantized energy level difference is incident, the electrons receive energy and transfer.

상기 양자우물층(630)에서는 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍이 전류의 흐름에 기여하는 캐리어가 되기 위해서는 양자우물 밖으로 빠져나와야 하며, 우물에 속박된 캐리어들은 빛이나 열에 의해 에너지를 받거나 터널링을 통해 빠져나올 수 있다. In the quantum well layer 630, the electron-hole pairs generated by the light must escape out of the quantum well in order to be a carrier contributing to the current flow. The carriers bound to the well may receive energy by light or heat, You can escape.

즉, 이러한 원리를 이용하여 상기 증배층(600)에 다층의 양자우물층(630)을 형성함으로써, 캐리어 생성률을 높이게 되는데, 이를 위하여 입사광의 파장에서 적절한 흡수계수를 갖는 물질을 결정하고 상기 흡수층(300) 물질의 두께를 설정하는 것이 중요할 수 있다.That is, by forming the quantum well layer 630 of multiple layers in the growth layer 600 using this principle, the carrier generation rate is increased. To this end, a material having an appropriate absorption coefficient at the wavelength of the incident light is determined, 300) It may be important to set the thickness of the material.

상기 양자우물층(630)은 GaAs 우물(634)과 InP 장벽(632)으로 형성할 수 있으며, 상기 양자우물층(630)의 상기 GaAs 우물(634)과 상기 InP 장벽(632)은 동일한 두께 및 동일한 도핑농도를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 GaAs 우물(634)은 InGaAs 우물(634)일 수 있다.The quantum well layer 630 may be formed of a GaAs well 634 and an InP barrier 632 and the GaAs well 634 and the InP barrier 632 of the quantum well layer 630 may have the same thickness and / Can have the same doping concentration. Preferably, the GaAs well 634 may be an InGaAs well 634.

양자우물의 에너지 레벨 err은 하기 수학식 (1)에 의하여 계산할 수 있다.The energy level err of the quantum well can be calculated by the following equation (1).

Figure pat00001
(1)
Figure pat00001
(One)

여기서, mw는 우물에서의 전자 유효질량, mb는 장벽에서의 전자유효질량 L은 우물너비, V0는 양자우물의 전위 장벽 전위, k는 파수를 의미한다.Where m w is the electron effective mass in the well, m b is the electron effective mass at the barrier, L is the well width, V 0 is the potential barrier potential of the quantum well, and k is the wave number.

err의 값의 크기는 k(L/2)값이 커짐에 따라 점점 작아지다가 π/2전의 한 점에서 0이되고 다시 증가한다. 따라서 err 값이 증가하기 전의 k(L/2)값을 통하여 k값을 구하고 에너지 레벨을 계산할 수 있다. The value of err becomes smaller as k (L / 2) becomes larger, becomes 0 at one point before π / 2, and increases again. Therefore, the k value can be obtained through the k (L / 2) value before the err value increases and the energy level can be calculated.

도 2는 300K에서 InGaAs/InP 8.2nm의 양자우물층 에너지 레벨을 계산한 결과를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a graph showing a result of calculating the quantum well layer energy level of InGaAs / InP of 8.2 nm at 300 K. FIG.

캐리어의 유효량 및 에너지 밴드갭에 대해서는 표 1의 값을 사용했고 ΔEc=0.41ΔEg eV, ΔEv=0.59ΔEg eV, ΔEg=0.603 eV로 계산하였다.For the effective amount of carriers and the energy bandgap, the values in Table 1 were used and ΔE c = 0.41ΔE g eV, ΔE v = 0.59ΔE g eV, and ΔE g = 0.603 eV.

me*/m0*m e * / m 0 * mhh*/m0*m hh * / m 0 * mlh*/m0*m lh * / m 0 * Eg(eV)Eg (eV) InP(barrier)InP (barrier) 0.0770.077 0.6000.600 0.1200.120 1.3441.344 InGaAs(well)InGaAs (well) 0.0330.033 0.2920.292 0.0410.041 0.7410.741

도 2에서 헤비 매스(heavy mass) 정공과 전자의 에너지 레벨 차이는 0.80866eV로, 파장 1532nm의 빛에 해당하는 크기이므로 계산한 에너지레벨을 토대로 상기 양자우물층(630)에서의 흡수계수를 계산하여 설계한 상기 양자우물층(630)이 1.55um의 빛을 흡수하기에 적절한 것을 알 수 있다. 바람직하게, 역 전압에 의한 전기장이 걸리면 에너지 레벨이 이동해 밸런스밴드 우물의 에너지레벨과 컨덕션밴드 우물의 에너지레벨 차이가 작아지게 될 것이므로 여유를 두어 설계할 수 있다.In FIG. 2, since the energy level difference between the hole and electron in the heavy mass is 0.80866 eV and the size corresponds to the light with the wavelength of 1532 nm, the absorption coefficient in the quantum well layer 630 is calculated based on the calculated energy level It can be seen that the designed quantum well layer 630 is suitable for absorbing light of 1.55 um. Preferably, when an electric field due to the reverse voltage is applied, the energy level shifts and the difference between the energy level of the balanced band well and the energy level of the conduction band well becomes small, so that it can be designed with a margin.

즉, 상기 증배층(600)에 캐리어 증배 및 빛의 흡수가 동시에 가능한 다층의 상기 양자우물층(630)을 삽입함으로써, 기존에 빛을 충분히 흡수하기 위하여 적당한 두께를 유지하도록 설계되었던 흡수층(300)의 두께를 줄여 높은 바이어스에서 BBT가 일어나는 물리적 구간을 줄이는 효과를 가져올 수 있다. That is, the absorption layer 300, which has been designed to maintain a proper thickness in order to absorb light sufficiently by inserting the quantum well layer 630 of multiple layers capable of simultaneously multiplying the carrier and absorbing light into the growth layer 600, It is possible to reduce the physical section where the BBT occurs at a high bias.

상기 증배층(600)에 양자우물 구조를 사용할 경우의 개선 효과에 대하여, 도면을 통해 더욱 자세하게 설명하도록 한다.The improvement effect when the quantum well structure is used for the growth layer 600 will be described in more detail with reference to the drawings.

도 3은 Silvaco TCAD를 이용해 본발명의 광자 검출기와 종래기술의 벌크(bulk) 광자 검출기의 I-V 곡선을 시뮬레이션한 그래프이다.Figure 3 is a graph simulating the I-V curve of a photon detector of the present invention and a prior art bulk photon detector using Silvaco TCAD.

도 3(b)에서 기존의 벌크 광자 검출기는 암전류와 광전류가 비슷한 크기의 바이어스에서 항복현상을 일으킨다. 반면, 도 3(a)에서는 본발명의 광자 검출기가 암전류가 항복현상을 일으키는 바이어스인 22.80V보다 작은 21.55V에서 암전류가 아발란체 항복되는 것을 확인할 수 있다. 이는 벌크 광자 검출기보다 본 발명의 광자 검출기가 낮은 암전류를 가지면서 단일 광자를 검출 할 수 있음을 의미한다.3 (b), a conventional bulk photon detector causes a dark current and a photocurrent to yield at a bias of a similar magnitude. On the other hand, in FIG. 3 (a), it can be seen that the photocurrent detector of the present invention yields avalanche current at 21.55 V, which is lower than 22.80 V, which is a bias for causing the dark current to yield. This means that the photon detector of the present invention can detect a single photon with low dark current, as compared with the bulk photon detector.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical and exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100: 기판 200: 버퍼층
300: 흡수층 400: 그레이딩층
500: 전하층 600: 증배층
610: 하부 장벽층 620: 상부 장벽층
630: 양자우물층 700: 확산층
100: substrate 200: buffer layer
300: absorbing layer 400: grading layer
500: charge layer 600:
610: lower barrier layer 620: upper barrier layer
630: quantum well layer 700: diffusion layer

Claims (6)

n+ InP를 포함하는 기판;
상기 기판 상부에 형성되고, InGaAs를 포함하는 흡수층;
상기 흡수층 상부에 형성되고, n+ InP를 포함하는 전하층;
상기 전하층 상에 형성된 증배층; 및
상기 증배층 상부에 형성되고, p+ InP를 포함하는 확산층;
을 포함하고,
상기 증배층은,
n InP를 포함하는 하부 장벽층 및 상부 장벽층; 및
상기 하부 장벽층 및 상부 장벽층 사이에 형성되고, GaAs 우물과 InP 장벽으로 구성되는 다층의 양자 우물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
a substrate comprising n + InP;
An absorption layer formed on the substrate and including InGaAs;
A charge layer formed on the absorber layer and including n + InP;
A multiplication layer formed on the charge layer; And
A diffusion layer formed on the multiplication layer and including p + InP;
/ RTI &gt;
The multi-
a lower barrier layer and an upper barrier layer comprising nInP; And
And a multi-layer quantum well layer formed between the lower barrier layer and the upper barrier layer and consisting of a GaAs well and an InP barrier.
제1 항에 있어서,
상기 증배층은 0.29um 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
The method according to claim 1,
Wherein the multiplication layer has a thickness of 0.29 um or less.
제1항에 있어서,
상기 흡수층은 0.3um의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
The method according to claim 1,
Wherein the absorber layer has a thickness of 0.3 um.
제1 항에 있어서,
상기 흡수층 및 상기 전하층 사이에 형성된 그레이딩층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
The method according to claim 1,
A grading layer formed between the absorption layer and the charge layer;
&Lt; / RTI &gt; further comprising a photodetector.
제4 항에 있어서,
상기 그레이딩층은 In1 - xGaxAsyP1 -y를 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기(0<x<1, 0<y<1).
5. The method of claim 4,
Wherein the grading layer comprises In 1 - x Ga x As y P 1 - y (0 <x <1, 0 <y <1).
제1 항에 있어서,
상기 기판과 상기 흡수층 사이에 n InP를 포함하는 버퍼층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
The method according to claim 1,
A buffer layer including n InP between the substrate and the absorber layer;
&Lt; / RTI &gt; further comprising a photodetector.
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JPH0697485A (en) * 1992-05-19 1994-04-08 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor element
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KR20040064277A (en) * 2001-11-28 2004-07-16 옵토닉스 인코포레이티드 Avalanche photodiode for photon counting applications and method thereof

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