KR920002092B1 - High speed photo received device with using buried shottky electrode - Google Patents

High speed photo received device with using buried shottky electrode Download PDF

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Abstract

The device includes a source (17) and a drain (18). A W electrode gate (19) is formed within a GaAs crystalline layer (21), and an SiO2 oxide layer (20) is formed upon a GaAs substrate (1) and on the opposite sides of the GaAs crystalline layer (21). An AuGe/Ni layer (15) is deposited on the GaAs crystalline layer (21) for realizing an n type contact. When the resistance between the source and the drain is varied due to a light absorption by applying a voltage there, the positive holes which are formed by applying a reverse voltage are pulled through the W electrode, thereby improving the recovery time characteristics of the device.

Description

매립형 쇼트키 전극을 이용한 고속 수광소자High speed light-receiving device using embedded Schottky electrode

제1도는 종래의 금속-반도체-금속(MSM)구조의 수광소자를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a light receiving device having a conventional metal-semiconductor-metal (MSM) structure.

제2도는 매립된 쇼트키 전극을 갖는 MSM 수광소자를 도시한 단면도.2 is a cross-sectional view showing an MSM light-receiving element having an embedded Schottky electrode.

제3도는 백 게이트를 갖는 수광소자를 도시한 단면도.3 is a sectional view showing a light receiving element having a back gate.

제4도는 매립된 쇼트키 전극을 백 게이트로 하는 수광소자를 도시한 단면도.4 is a cross-sectional view showing a light receiving element having a buried Schottky electrode as a back gate.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 반절연성 GaAs 기판 2 : 도우핑하지않은 GaAs 결정성장층1: semi-insulating GaAs substrate 2: undoped GaAs crystal growth layer

3 : Al 전극 4 : W 전극3: Al electrode 4: W electrode

5 : W 전극 6 : 도우핑하지않은 AlGaAs 결정성장층5: W electrode 6: Undoped AlGaAs crystal growth layer

7 : 백 게이트 전극 8 : p형 저항성접촉을 위한 Au/Zn7: back gate electrode 8: Au / Zn for p-type ohmic contact

9 : p+-GaAs의 기판 10 : p+GaAs의 버퍼 층9: substrate of p + -GaAs 10 buffer layer of p + GaAs

11 : p-형 GaAs 결정성장층 12 : n형 GaAs 결정성장층11: p-type GaAs crystal growth layer 12: n-type GaAs crystal growth layer

13 : n+형 AlGaAs 결정성장층13: n + type AlGaAs crystal growth layer

14 : 저항성접촉 향상을 위한 n+형 GaAs 결정성장층14: n + type GaAs crystal growth layer for improved ohmic contact

15, 16 : n형 저항성접촉을 위한 AuGe/Ni15, 16: AuGe / Ni for n-type ohmic contact

17 : 소오스 18 : 드레인17: source 18: drain

19 : 백 게이트용 W 전극 20 : SiO2산화막19 W electrode for back gate 20 SiO 2 oxide film

21 : 도우핑하지 않은 GaAs 결정성장층.21: Undoped GaAs crystal growth layer.

본 발명은 쇼트키 전극을 매립시켜 구현할 수 있는 고속 수광소자에 관한 것이다. 본 발명의 수광소자는 매립된 쇼트키 전극을 공통적으로 가지는 소자로 제1, 3도에 도시한 것과 같은 종래의 수광소자보다 개선된 특성을 갖는다.The present invention relates to a high speed light receiving device that can be implemented by embedding a Schottky electrode. The light receiving element of the present invention is an element having a buried Schottky electrode in common and has improved characteristics as compared with the conventional light receiving element as shown in FIGS.

제1도는 종래의 금속-반도체-금속(MSM)구조의 수광소자를 도시하였다. 이 제1도에서, 참조번호(1)은 반절연성 GaAs 기판을 나타내며, 참조번호(2)는 도우핑하지않은 GaAs 결정성장층이다. 참조번호(3)은 Al을 이용한 쇼트키 전극이다. 이 소자의 동작은 다음과 같이 설명될 수 있다.1 shows a light receiving device having a conventional metal-semiconductor-metal (MSM) structure. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a semi-insulating GaAs substrate, and reference numeral 2 denotes an undoped GaAs crystal growth layer. Reference numeral 3 denotes a Schottky electrode using Al. The operation of this element can be described as follows.

2개의 Al전극(3)들 사이에 전압을 가하며 순방향 접속 및 역방향 접속된 2개의 쇼트키 다이오드가 직렬 연결된 것과 같으므로 빛이 주사되지 않은 상태에서 극히 작은 전류가 흐르게 된다. GaAs에 흡수될 수 있는 파장의 빛을 주사하면 빛의 흡수가 일어나서 전자, 정공의 쌍이 생긴다. 이때 만들어진 전자, 정공의 쌍이 전극들 사이에 걸린 전장에 의해 이동하고 전극을 통해 전기적 신호로 나타낸다. 이러한 종래의 금속-반도체-금속 수광소자는 쇼트키 전극을 이용하므로 기생용량이 적고, 반도체내에서 전자가 포화속도로 이동하므로, 고속 특성을 나타내고 있다. 그러나, 이같은 소자는 전극이 표면에 노출되어 있으므로, 수광면적이 부분적으로 노출되어서 면적의 활용도, 즉 입사된 빛의 양에 대한 생성된 전자, 정공의 수의 비가 낮다는 단점이 있다.Since a voltage is applied between two Al electrodes 3 and two Schottky diodes connected in a forward connection and a reverse connection are connected in series, an extremely small current flows in a state where light is not scanned. When light of a wavelength that can be absorbed by GaAs is scanned, light is absorbed to form a pair of electrons and holes. The pair of electrons and holes made at this time are moved by the electric field caught between the electrodes and represented as electrical signals through the electrodes. Such a conventional metal-semiconductor-metal light-receiving element uses a Schottky electrode, so the parasitic capacitance is low, and electrons move at a saturation rate in the semiconductor, and thus exhibit high speed characteristics. However, such a device has the disadvantage that since the electrode is exposed to the surface, the light receiving area is partially exposed so that the utilization of the area, that is, the ratio of the number of generated electrons and holes to the amount of incident light is low.

제2도는 제1도의 소자와 같은 특성을 가지며 면적의 활용도를 높이기 위해 발명된 수광소자이다. 이 제2도를 설명하면, 제1도에서와 마찬가지로, 참조번호(1)은 반절열성 GaAs 기판을 나타내며, 참조번호(2)는 도우핑하지 않은 GaAs 결정성장층으로서 전극(4,5)위에 형성되어 매립된 쇼트키 구조를 갖는다. 참조번호(4,5)는 반절연성 GaAs 기판(1)위에 증착한 후 식각에 의해 형성된 W(텅스텐)을 이용한 쇼트키 전극이다. 참조번호(6)은 도우핑하지않은 AlGaAs 결정성장층으로서 전극(4,5) 및 상기 도핑하지 않은 GaAs 결정성장층(2)위의 표면에서 발생될 수 있는 전자 ·정공의 재결합을 방지하기 위해 에피택시 방법으로 형성된다.2 is a light receiving device having the same characteristics as the device of FIG. 1 and invented to increase the utilization of an area. Referring to FIG. 2, as in FIG. 1, reference numeral 1 denotes a semi-cleaving GaAs substrate, and reference numeral 2 denotes an undoped GaAs crystal growth layer on the electrodes 4,5. It is formed and has a built-in Schottky structure. Reference numerals 4 and 5 denote Schottky electrodes using W (tungsten) formed by etching after being deposited on the semi-insulating GaAs substrate 1. Reference numeral 6 denotes an undoped AlGaAs crystal growth layer to prevent recombination of electrons and holes that may occur on the surfaces of the electrodes 4 and 5 and the undoped GaAs crystal growth layer 2. It is formed by an epitaxy method.

본 발명의 소자는 쇼트키 다이오드를 형성하는 전극이 n-GaAs(2) 아래에 묻혀있으므로, 제 1도의 수광소자에 비해 면적의 활용도가 높은 장점을 가지며, 쇼트키 접합을 이용하므로 기생용량이 적어서 고속특성이 기대된다. AlGaAs층(6)은 본 방명의 소자의 수광부분을 되도록 전극 가까이에 두고 표면에서의 전자정공의 손실을 줄이기 위한 것이다. 이와같은 본 발명의 금속-반도체-금속 수과소자의 특성을 열거하면 다음과 같다. 첫째, GaAs층에 묻힌 쇼트키 전극을 가지므로 수광소자 면적 이용률이 높다. 둘째, 종래의 기술에서와 같이, 쇼트키 전극에서 오는 적은 기생용량으로 고속동작이 가능하다. 세째, 종래의 기술에서와 같이, 반절연성 GaAs 기판을 이용하므로 다른 소자와의 집적화가 가능하다. 네째, 종래의 기술에서와 같이, 이상의 점으로 반절연성 기판위에 MESFET와 집적화한 고속 수광소자와 전자소자와의 광전 집적회로가 가능하다.In the device of the present invention, since the electrode forming the Schottky diode is buried under the n-GaAs (2), it has the advantage of high utilization of the area as compared with the light-receiving device of FIG. High speed characteristics are expected. The AlGaAs layer 6 is intended to reduce the loss of electron holes on the surface by keeping the light receiving portion of the device of the present invention as close to the electrode as possible. Such characteristics of the metal-semiconductor-metal overwater device of the present invention are listed as follows. First, since the Schottky electrode buried in the GaAs layer has high utilization rate of the light receiving element. Second, as in the prior art, high speed operation is possible with less parasitic capacitance coming from the Schottky electrode. Third, as in the prior art, since the semi-insulating GaAs substrate is used, integration with other devices is possible. Fourth, as in the related art, the above-described photoelectric integrated circuit of a high speed light receiving device integrated with an MESFET and an electronic device is possible on a semi-insulating substrate.

다음으로 매립된 쇼트키 전극을 이용하여 회복시간 특성이 개선된 고속 수광소자에 대해 설명하겠다.Next, a high-speed light receiving device having improved recovery time characteristics using the embedded Schottky electrode will be described.

제3도에는 공지된 수광소자가 도시되어 있다. 이 제3도를 설명하면, 참조번호(7)은 게이트이다. 참조번호(8)은 p형 저항성접촉을 위해 중착된 Au/Zn층이다. 참조번호(9)는 p+의 GaAs 기판이다. 참조번호(10)은 p+로 불순물이 첨가된 GaAs 버퍼층이다. 참조번호(11)은 p-형(2.6×1015㎝-3)의 GaAs층이다. 참조번호(12)는 n형의 GaAs 결정성장층이고 참조번호(13)은 표면에서의 전자, 정공 손실을 막기위한 n+형 AlGaAs 결정성장층이다. 참조번호(14)는 n형의 저항성접촉을 향상시키기 위한 N+형의 GaAs 결정성장층이다. 참조번호(10,11,12,13,14)는 에피택셜 방법을 통해 형성된다. 참조번호(15,16)은 n형 저항성접촉을 위한 AuGe/Ni층이다. 참조번호(17)은 소오스, 참조번호(18)은 드레인을 나타낸다. 기존의 수광소자는 참조번호(12,13,14,15,16,17,18)로 이루어져서 참조번호(17과 18)의 전극을 통하여 전압을 걸었을때 빛에 의해 반도체의 저항이 바뀌는 특성을 이용하는 것이다. 이 소자의 일반적인 특성은 광도전 이득이 크고 고속 수광소자에 적합한 것이다. 그러나, 이 소자는 n-GaAs를 사용하므로 정공의 이동도가 낮아서 광펄스에 의해 나타나는 전기신호의 회복시간이 긴 것이 단점이다. 이 점을 개선하기 위해 제안되었던 것이 제3도의 참조번호(7)에서 참조번호(18)에 이르는 수광소자이다. 이 소자는 참조번호(7)의 p-n 접합게이트에 소오스에 대하여 역방향 전압을 가하고, 이것을 통하여 정공을 게이트 쪽으로 끌어냄으로써 광도전 특성에서 정공의 영향을 줄이려는 것이다. 즉, 게이트 전압에 따라 제 3도의 수광소자의 회복시간이 개선되는 장점을 갖는다. 그러나, 이 같은 소자의 구조는 p형 기판을 이용하는 점에서 다양한 응용이 제한되는 단점이 있다.3 shows a known light receiving element. Referring to FIG. 3, reference numeral 7 is a gate. Reference numeral 8 is an Au / Zn layer deposited for p-type ohmic contact. Reference numeral 9 denotes a p + GaAs substrate. Reference numeral 10 is a GaAs buffer layer to which impurities are added to p +. Reference numeral 11 is a p-type (2.6 x 10 15 cm -3 ) GaAs layer. Reference numeral 12 denotes an n-type GaAs crystal growth layer, and reference numeral 13 denotes an n + type AlGaAs crystal growth layer for preventing electron and hole loss on the surface. Reference numeral 14 denotes an N + type GaAs crystal growth layer for improving an n type ohmic contact. Reference numerals 10, 11, 12, 13 and 14 are formed via an epitaxial method. Reference numerals 15 and 16 denote AuGe / Ni layers for n-type ohmic contacts. Reference numeral 17 denotes a source, and reference numeral 18 denotes a drain. Conventional light-receiving elements are made of reference numerals 12, 13, 14, 15, 16, 17, and 18, and the resistance of the semiconductor is changed by light when voltage is applied through the electrodes of reference numerals 17 and 18. It is to use. The general characteristic of this device is that it has a large photoconductive gain and is suitable for high speed light receiving devices. However, since the device uses n-GaAs, the hole mobility is low, and the recovery time of the electrical signal caused by the optical pulse is long. What has been proposed to improve this point is a light receiving element from reference numeral 7 to reference numeral 18 in FIG. This element is intended to reduce the influence of holes in the photoconductive properties by applying a reverse voltage to the pn junction gate of reference number 7 with respect to the source and drawing holes toward it. That is, the recovery time of the light receiving device of FIG. 3 is improved according to the gate voltage. However, such a device has a disadvantage in that various applications are limited in that it uses a p-type substrate.

제4도는 제3도의 소자를 본 발명의 매립된 쇼트키 전극을 이용해서 반절연성 GaAs 기판에 구현하므로 광전집적회로에 적합한 구조로 제작하는 상태를 도시한 도면으로, 제 3도의 p-형 GaAs 결정성장층(11)위의 대응부분을 도시한 것이다. 이 제4도를 설명하면, 참조번호(1)은 반절연성 GaAs 기판이다. 참조번호(19)는 제2도의 W전극(4,5)에 대응하는 증착되어 형성된 후 매립된 W 전극 게이트이고, 참조번호(20)은 SiO2산화막으로서 반절연성 GaAs기판(1)위에 GaAs 결정성장층(21) 양측으로 증착되고, n형 저항성 접촉을 위한 AuGe/Ni층(15)가 GaAs 결정성장층(21)위에 증착되며 소오스(17) 및 드레인(18)이 서로 교차해서 형성된다. 참조번호(21)은 제3도의 n형 GaAs 결정성장층(12)에 대응하는 도우핑하지않은 GaAs 결정성장층으로서 애피택시 방법으로 형성된다. 참조번호(15)는 n형 저항성접촉을 위한 AuGe/Ni층이다. 참조번호(17과 18)은 각각 교차하는 소오스와 드레인을 나타낸다. 이 소자의 동작은 다음과 같다. 드레인과 소오스에 전압을 가하면 빛의 흡수에 의해 드레인과 소오스 사이의 저항이 변한다. 여기에 W 전극(19)에 소오스에 대해 역방향의 전압을 가하면 생성된 정공이 W 전극을 통하여 끌리므로 수광소자의 회복시간 특성이 개선되게 된다. 이 같이 발명된 수광소자의 장점은, 첫째, 기존의 수광소자의 구조가 일치하므로 수광소자의 고속특성, 광도전 이득등을 이용할 수 있다. 둘째, 게이트의 역방향 전압을 개선된 신호 회복시간 특성을 얻을 수 있다. 세째, 반절연성 기판위의 매립된 W 교트키 전극을 이용하므로 광전 집적회로 제작이 용이하다.FIG. 4 is a view showing a state in which the device of FIG. 3 is fabricated in a semi-insulating GaAs substrate using the embedded Schottky electrode of the present invention, and thus fabricated in a structure suitable for a photonic integrated circuit. FIG. 3 shows a p-type GaAs crystal. The corresponding part on the growth layer 11 is shown. 4, reference numeral 1 denotes a semi-insulating GaAs substrate. Reference numeral 19 denotes a W electrode gate deposited and formed corresponding to the W electrodes 4 and 5 in FIG. 2, and reference numeral 20 denotes a GaAs crystal on the semi-insulating GaAs substrate 1 as an SiO 2 oxide film. The growth layer 21 is deposited on both sides, an AuGe / Ni layer 15 for n-type ohmic contact is deposited on the GaAs crystal growth layer 21, and the source 17 and the drain 18 are formed to cross each other. Reference numeral 21 is an undoped GaAs crystal growth layer corresponding to the n-type GaAs crystal growth layer 12 in FIG. 3, and is formed by an epitaxy method. Reference numeral 15 denotes an AuGe / Ni layer for n-type ohmic contact. Reference numerals 17 and 18 denote cross source and drain, respectively. The operation of this device is as follows. When a voltage is applied to the drain and the source, the absorption between the drain and the source changes due to the absorption of light. Applying a reverse voltage to the W electrode 19 with respect to the source here, the generated holes are attracted through the W electrode, thereby improving the recovery time characteristics of the light receiving element. Advantages of the light-receiving device invented as described above, first, since the structure of the conventional light-receiving device is consistent, it is possible to use the high-speed characteristics of the light-receiving device, the photoconductive gain and the like. Second, the reverse voltage of the gate can be obtained to improve the signal recovery time characteristics. Third, since the embedded W Gytzky electrode on the semi-insulating substrate is used, it is easy to manufacture the photoelectric integrated circuit.

Claims (2)

소오스(17) 및 드레인(18)을 갖고있는 고속 수광소자에 있어서, W 전극 게이트(19)가 GaAs 결정성장층(21)내에 에피택셜 방법으로 매립되고, SiO2산화막(20)이 반절연성 GaAs 기판(1)위에 GaAs 결정성장층(21) 양측으로 증착되며, n형 저항성접촉을 위한 AuGe/Ni층(15)가 GaAs 결정성장층(21)위에 증착되고, 소오스(17) 및 드레인(18)이 서로 교차해서 형성되어, 이 드레인과 소오스에 전압을 가하여 빛의 흡수에 의해 드레인과 소오스 사이의 저항이 변하는 경우에, W 전극(19)에 소오스에 대해 역방향 전압을 가할때 생성된 정공이 W 전극을 통해 끌리게 되어 소자의 회복시간 특성이 개선되는 것을 특징으로 하는 고속 수광 소자.In the high speed light receiving device having the source 17 and the drain 18, the W electrode gate 19 is embedded in the GaAs crystal growth layer 21 by an epitaxial method, and the SiO 2 oxide film 20 is semi-insulating GaAs. Deposition on both sides of the GaAs crystal growth layer 21 on the substrate 1, an AuGe / Ni layer 15 for n-type ohmic contact is deposited on the GaAs crystal growth layer 21, the source 17 and the drain 18 ) Is formed to cross each other, and when a voltage is applied to the drain and the source to change the resistance between the drain and the source by absorption of light, the holes generated when the reverse voltage is applied to the source to the W electrode 19 A high-speed light receiving device, characterized in that the recovery time characteristics of the device is improved by being drawn through the W electrode. 반절연성 GaAs 기판, 도우핑하지않은 GaAs 결정성장층 및 전극을 포함하는 수광소자에 있어서, 반절연성 GaAs 기판(1)위에 증착한 후 식각공정을 통해 형성된 전극(4,5), 상기 전극(4,5)위에 에피택시 방법으로 형성되어 매립된 쇼트키 구조를 갖는 도핑하지 않은 GaAs 결정성장층(2) 및 상기 전극(4,5) 및 상기 도핑하지 않은 GaAs 결정성장층(2)위의 표면에서 발생될 수 있는 전자·정공의 재결합을 방지하기위해 에피택시 방법으로 형성된 도핑하지 않은 AlGaAs 결정성장층(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속수광 소자.In a light-receiving device including a semi-insulating GaAs substrate, an undoped GaAs crystal growth layer, and an electrode, the electrodes 4 and 5 formed by an etching process after deposition on the semi-insulating GaAs substrate 1 and the electrode 4 A surface of the undoped GaAs crystal growth layer 2 and the electrodes 4,5 and the undoped GaAs crystal growth layer 2 having a Schottky structure buried and epitaxially formed thereon. A fast light-receiving element comprising an undoped AlGaAs crystal growth layer (6) formed by an epitaxy method to prevent recombination of electrons and holes that may occur in the process.
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