KR20220153360A - 에벌런치 광 검출기 - Google Patents

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김호성
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Abstract

본 발명은 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 흡수층, 상기 흡수층은 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 제1 I형 반도체층, 및 제1 P형 반도체층을 포함하고, 증폭층, 상기 증폭층은 순차적으로 적층된 상기 제1 P형 반도체층, 제2 I형 반도체층, 및 제2 P형 반도체층을 포함하며;
상기 제1 P형 반도체층의 상면 상의 제2 전극, 및 상기 제2 P형 반도체층 상의 제3 전극을 포함하는 에벌런치 광 검출기.

Description

에벌런치 광 검출기{Avalanche Photodetector}
본 발명은 InP 기반의 에벌런치 광 검출기(APD:Avalanche Photodetector)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 운반체 충격 이온화(single carrier impact ionization)를 이용하여 잡음(Noise)는 최소로 하고 신호(signal)만 증폭시키는 광 검출기에 관한 것이다.
광통신의 전송용량을 증가시키는 방법의 한가지로 전송속도의 증대에 관한 연구개발이 국내외에서 진행되어 왔다. 전송속도가 증가하여 Gb/s급 이상이 되면 수신단 전치증폭기의 잡음이 급격히 증가하게 되어 수신감도가 떨어지는 문제점이 발생한다. 신호가 잡음보다 클수록 신호 판별시 오류를 범할 확률이 줄어들게 되므로, 잡음이 증가한다는 것은 일정한 비트 오율(BER: Bit Error Rate) 에서 광수신기로 입사하는 광신호의 출력이 증가되어야 함을 뜻하며, 이는 곧 중계기의 간격 감소로 인한 경제성의 저하를 의미한다. 이러한 수신단의 수신감도 저하를 극복하는 방법의 하나로 내부 이득을 갖는 APD를 수광소자로 사용하고자 하는 연구가 진행되어왔다.
APD에서 신호대 잡음비 (S/N)는 신호 증폭 과정에서 내부증폭 M 과 M을 얻는 과정에서 발생하는 잉여잡음계수 (excess noise factor) F(M)과의 밀접한 관계가 있다. 내부증폭 M이 증가하면 S/N는 증가를 하는 반면, 잉여잡음계수 F(M)이 증가하면 S/N 는 감소하게 된다. S/N 의 증가를 통한 광통신 시스템의 수신감도 향상을 위해서는 가능한 한 M 값을 크게 하여야 하나 내부증폭에 따른 F(M)도 역시 증가하게 된다.
내부증폭 M은 반도체 pn 접합내에 높은 전기장 (물질에 따라 다르나 보통 10^5 V/cm 이상)을 인가하여 충분한 가속에너지를 얻은 전자(혹은 정공)가 가전대의 전자와 충돌하는 것에 의하여 새로운 전자 쌍을 생성하는 이온화 (impact ionization) 현상으로 인해 증가하게된다. 이온화 현상에 의한 내부증폭은 보통 항복 전압(avalanche breakdown voltage) 또는 에벌런치 항복(avalanche breakdown) 영역 근처에서 발생하는데, 전압을 증가시킬수록 공핍층의 부피가 증가하여 공핍층 내에서 발생하는 전자-정공쌍의 생성-재결합에 의한 전류가 암전류에 주로 기여함에 따라 잉여잡음계수 F(M) 또한 증가하게 된다.
기존의 APD는 내부증폭 M을 크게 하면서 잉여잡음계수 F(M)값을 크게 증가시키지 않게 이단자 반도체 pn 접합으로 구성된 APD 소자에서 물질, 구조, 도핑 및 두께 등을 최적화하는 밴드갭 공학을 이용하여 설계하였다.
본 발명은 기존의 APD 소자에서 필연적으로 발생하는 전자-정공 쌍의 이온화 현상에 의해 생성된 암전류를 제거하기 위해, 단일 운반자 (전자 혹은 정공)만을 이온화 현상을 통해 내부증폭을 증가시키려는데 그 목적이 있다.
본 발명은 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 흡수층, 상기 흡수층은 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 제1 I형 반도체층, 및 제1 P형 반도체층을 포함하고, 증폭층, 상기 증폭층은 순차적으로 적층된 상기 제1 P형 반도체층, 제2 I형 반도체층, 및 제2 P형 반도체층을 포함하며;
상기 제1 P형 반도체층의 상면 상의 제2 전극, 및 상기 제2 P형 반도체층 상의 제3 전극을 포함하는 에벌런치 광 검출기이다.
본 발명의 개념에 따른 광 검출기는 흡수층과 증폭층을 포함함으로써, 노이즈를 제외한 신호만 선택적으로 증폭시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 신호 증폭에 기여하는 정공만 충격 이온화를 겪기 때문에 암전류에 의한 노이즈가 제거되고 신호만 증폭이 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에서 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 증폭층이 type II InP/InAlAs/InP 물질로 이루어진 n-i-n 구조일 때의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 4은 본 발명의 증폭층이 type II InP/InAlAs/InP 물질로 이루어진 p-i-p 구조 일 때의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 증폭층 구조인 type II InP/InAlAs 물질로 이루어진 p-i-p 구조에서 충격 이온화가 발생할 수 있는 충분한 전기장이 생성 될 수 있는지를 보여주는 인가 전압에 따른 증폭층의 전기장을 계산한 결과이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 본 발명의 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 APD의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 일 실시예는 제1 전극(101), 제2 전극(102), 제3 전극(103), N형 반도체층(201), 제1 I형 반도체 층(202), 제1 P형 반도체층(203), 제2 I형 반도체층(204), 제2 P형 반도체층(205)을 포함할 수 있다. 흡수층(301)은 상기 N형 반도체층(201), 제1 I형 반도체층(202) 및 제1 P형 반도체층을 포함할 수 있다. 증폭층(302)은 상기 제2 P형 반도체층(205) 및 상기 제2 I형 반도체층(204)을 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, I형 반도체층은 진성 반도체를 의미할 수 있다.
상기 제1 전극(101) 상에 상기 흡수층(301)이 배치될 수 있다. 상기 흡수층(301) 상에 상기 증폭층(302)이 배치될 수 있다. 상기 흡수층(301)은 N형 반도체층(201), 제1 I형 반도체층(202), 제1 P형 반도체층(203)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. 상기 흡수층은 N-I-P 구조일 수 있다. 상기 제1 P형 반도체층(203)의 상면에 제2 전극(102)이 배치될 수 있다. 상기 증폭층(302)은 상기 제1 P형 반도체층(203), 상기 제2 I형 반도체층(204) 및 상기 제2 P형 반도체층(205)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. 상기 증폭층(302)은 P-I-P 구조일 수 있다. 상기 제2 P형 반도체층(205)의 상면에 제3 전극(103)이 배치될 수 있다.
상기 제1 P형 반도체층(203) 및 상기 제2 P형 반도체층(205)은 InP를 포함할 수 있다.
상기 제1 I형 반도체층(202) 및 상기 제2 I형 반도체층(204)은 InAlAs를 포함할 수 있다
상기 N형 반도체층(201)은 InGaAs를 포함할 수 있다.
도면에 도시하지 않았으나, 상기 제1 p형 반도체층(203) 및 상기 제2 p형 반도체층(205)은 제1 n형 반도체층, 제2 n형 반도체층으로 대체될 수 있다. 이 경우 상기 제1 전극(101) 상의 상기 n형 반도체층(201)은 p형 반도체층으로 대체될 수 있다.
제1 전극(101), 제2 전극(102), 제3 전극(103)에 각각 전압을 달리 가할 수 있다. 이에 따라, 흡수층(302)과 증폭층(301)에 생성되는 전기장의 세기가 별개로 조절될 수 있다. 제3 전극에 인가되는 전압은 제2 전극에 인가되는 전압보다 작으며, 제2 전극에 인가되는 전압은 제1 전극에 인가되는 전압보다 작을 수 있다. 빛이 조사되는 경우 흡수층(301)의 pn 접합에서 전자-정공 쌍은 분리되고 전자는 pn 접합의 n쪽 전극인 제1 전극(101)으으로 이동하고, 정공은 p-i-p 구조의 증폭층(302)으로 이동하게 된다. 증폭층(302)으로 이동한 정공은 제2 전극(102)과 제3 전극(103) 각각에 인가된 전압이 p-i-p 구조에 생성한된 높은 전기장에 의해 단일 운반체(Carrier)인, 즉, 정공만 충격 이온화를 통해 증폭을 하게 된다.
도 2는 본 발명의 동작 원리를 표현한 에너지 밴드다이어그램이다. 도 2의 에너지 밴드다이어그램에서 전기장이 표시된 부분은 증폭층, 홀(h^+)과 전자(e^-)가 표시된 부분은 흡수층이다. 도 2의 밴다이어그램은 pn 접합을 포함하는 흡수층에 역방향 바이어스 전압을 인가한 상태이며, 증폭층인 p-i-p 다이오드에는 충격이온화가 발생 할 수 있는 충분한 전압을 가한 상태를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 흡수층에서는 전자-정공 쌍이 형성되어 각각의 운반체가 분리되며, 증폭층에서는 증폭층에 도달한 정공이 증폭층의 전기장에 의해 가속되며 증폭된다.
기존의 APD는 단순한 이단자로 제작이 되는 단순일한 pn 접합으로 구성되어 있으며 흡수층과 증폭층이 동일한 전압 제어에 의하여 동작하게 된다. 이로 인하여, 증폭층에서 정공이 충격이온화를 통해 신호도 증폭되는 반면, 노이즈에 기여하는 전자 또한 충격이온화를 통해 증폭이 되므로 암전류 또한 증가하게 된다.
본 발명의 개념에 따른 광 검출기는 삼단자로 구성되어, 흡수층과 증폭층에 걸리는 전기장을 별개로 조절함으로써, 노이즈를 제외한 신호만 선택적으로 증폭시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 증폭층이 type II InP/InAlAs/InP 물질로 이루어진 n-i-n 구조일때의 에너지 밴드 다이어그램을 계산한 도면이며, 도4는 본 발명의 증폭층이 type II InP/InAlAs/InP 물질로 이루어진 p-i-p 구조일때의 에너지 밴드 다이어그램을 계산한 도면이다. n-i-n 구조에서는 전자가 다른 전극으로 이동할 때 InAlAs와 InP 물질간의 작은 band-offset 이 존재한다. 이에 반해, p-i-p 구조에서는 정공이 다른 정공으로 이동할 때 에너지 장벽이 없다. 즉, n-i-n 구조에 비해 p-i-p 구조에서 운반자가 증폭층으로 넘어가기 유리하다.
도 5는 본 발명의 증폭층 구조인 type II InP/InAlAs 물질로 이루어진 p-i-p 구조에서 인가 전압에 따라 전기장을 계산한 결과이다. 1 V 전압 이상을 인가하면 충격 이온화가 발생할 수 있는 충분한 전기장 (InAlAs 물질의 경우 5 × 10^5 V/cm 이상) 이 생성 될 수 있음을 보여준다.
APD에서 신호대 잡음비 (S/N)는 신호 증폭 과정에서 내부증폭 M 과 M을 얻는 과정에서 발생하는 잉여잡음계수 (excess noise factor) F(M)과의 밀접한 관계가 있다. 내부증폭 M이 증가하면 S/N는 증가를 하는 반면, 잉여잡음계수 F(M)이 증가하면 S/N 는 감소하게 된다. S/N 의 증가를 통한 광통신 시스템의 수신감도 향상을 위해서는 가능한 한 M 값을 크게 하여야 하나 내부증폭에 따른 F(M)도 역시 증가하게 된다.
내부증폭 M은 반도체 pn 접합내에 높은 전기장 (물질에 따라 다르나 보통 10^5 V/cm 이상)을 인가하여 충분한 가속에너지를 얻은 전자(혹은 정공)가 가전대의 전자와 충돌하는 것에 의하여 새로운 전자 쌍을 생성하는 이온화 (impact ionization) 현상으로 인해 증가하게된다. 이온화 현상에 의한 내부증폭은 보통 항복 전압(avalanche breakdown voltage) 또는 에벌런치 항복(avalanche breakdown) 영역 근처에서 발생하는데, 전압을 증가시킬수록 공핍층의 부피가 증가하여 공핍층 내에서 발생하는 전자-정공쌍의 생성-재결합에 의한 전류가 암전류에 주로 기여함에 따라 잉여잡음계수 F(M) 또한 증가하게 된다.
기존의 APD는 내부증폭 M을 크게 하면서 잉여잡음계수 F(M)값을 크게 증가시키지 않게 이단자 반도체 pn 접합으로 구성된 APD 소자에서 물질, 구조, 도핑 및 두께 등을 최적화하는 밴드갭 공학을 이용하여 설계하였다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
301: 흡수층
302: 증폭층
101: 제1 전극
102: 제2 전극
103:제3 전극

Claims (1)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 흡수층, 상기 흡수층은 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 제1 I형 반도체층, 및 제1 P형 반도체층을 포함하고;
    증폭층, 상기 증폭층은 순차적으로 적층된 상기 제1 P형 반도체층, 제2 I형 반도체층, 및 제2 P형 반도체층을 포함하며;
    상기 제1 P형 반도체층의 상면 상의 제2 전극; 및
    상기 제2 P형 반도체층 상의 제3 전극을 포함하는 에벌런치 광 검출기.
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