KR920010922B1 - 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

반도체장치
제1도는 본 발명의 실시예에 따른 수광회로의 회로도.
제2도는 단일의 반도체기판상에 형성한 수광회로의 평면도.
제3도는 수광회로의 등화기 커패시터와, 트랜지스터(HEMT)와, 광검출소자의 내부구조를 나타낸 절단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 수광소자 2 : 부하저항
3 : 증폭회로 4 : 등화기(equalizer)
5 : 인덕터(inducter) 41 : 저항
42 : 커패시터(Capacitor) 77 : 절연막
78 : 와이어링금속(wiring metal) 101 : 반절연
InP : 기판 102~109 : 에피택셜층
본 발명은 반도체장치에 관한 것으로써, 특히 고속광통신 시스템의 수신회로로서 사용되는 반도체장치에 관한 것이다.
종래의 이런 종류의 수신회로로서는 트랜스 임피이던스(trans-impedance)형과 고임피이던스(high impedance)형등을 들 수 있다. 전자는 증폭소자에 궤환(feedback)을 적용하면 다이나믹레인지(dynamic range)가 넓어진다는 장점을 가지고 있다. 후자는 감도를 증가시키기 위한 목적으로 부하저항에 의해서 발생되는 열잡음을 감소시키기 위해 광검출소자의 부하저항에 대한 저항치 R이 증가하는 결점이 있다. 종래에는, 전자의 트랜스 임피이던스형을 주로 사용하고 후자의 고 임피이던스형은 사용하지 않았었는데, 이는 트랜스임피이던스형이 집적회로를 이용해 전자회로를 구성하기에 용이한데 반해 고 임피이던스형은 집적회로를 구성하기에 부적당했기 때문이다.
고 임피이던스형 수신 회로의 경우, 시정수(C·RL)에 의해서 결정되는 차단주파수에 의해 대역이 제한되기 때문에 회로의 뒷단(rear stage)에 대역보상을 위한 등화기(equalizer)가 필요하다. 상기의 시정수(C·RL)에서, C는 PN접합구조를 갖는 광검출소자의 접합용량을 포함하는 입력회로의 커패시턴스와 증폭회로의 입력커패시턴스를 나타낸다. 광검출소자의 대역제한으로 인한 파형왜곡을 완전히 보상하기 위해, 등화기는 병렬 연결된 커패시터와 저항으로 구성되며, 시정수(Ceq·Req)는 시정수(C·RL)과 동등하다(여기서, Ceq와 Req는 등화기의 커패시턴스와 저항이다).
광검출소자의 접합용량은 형태에 따라 변화되며, 심지어는 같은 형태인 경우에도 접합용량이 변화한다. 결국, 증폭회로같이 동일한 IC칩에 등화기를 집적시킬 수 없으므로, 등화기를 칩으로부터 분리하여, 분리되어 결합된 광 검출소자의 접합용량에 따라 개별적으로 조정해야 한다.
결과적으로, 부품의 갯수와 생산공정이 증가되므로 생산성의 감소를 초래한다.
본 발명에 있어서, 등화기의 커패시터는 수광소자(light receiving device)와 유사한 PN접합구조로 형성되며, 증폭기와 등화기, 그리고 수광소자는 광전자직접회로(OEIC : Opto-electronic IC)를 형성하기 위하여 단일의 반도체기판에 일체적으로 집적된다.
수광소자와 동화지의 커패시터를 동일한 반도체기판상에 유사한 PN접합구조로 형성하므로써, 수광소자와 등화기의 커패시터는 실제적으로 동일한 변화특성을 갖게되고, 외부의 외란으로부터의 영향도 동일하게 작용한다. 따라서, 적절한 설계를 하면, 개별적인 조정없이(C·RL=Ceq·Req)를 유지할 수 있다.
본 발명은 차후에 주어진 상세한 설명과 실례의 수단으로서 주어진 첨부도면으로부터 좀더 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 응용범위는 차후에 주어진 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
그러나, 상세한 설명과 특별한 예는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내기 위해 단지 실예의 수단으로서 주어졌기 때문에, 여러 가지 변화와 변형은 본 발명의 사상과 범위안에 존재한다.
본 실시예는 고 임피이던스형의 수광회로에 관한 것인데, 이 수광회로는 광입력신호를 전기신호로 변환하기 위해 PIN포토다이오우스를 이용한 수광소자(1)와, 부하저항(2)과, 수광소자(1)의 출력을 증폭하기 위한 증폭회로(3)와, 증폭회로(3)의 뒷단에 연결된 대역보상을 위한 등화기(4)로서 구성된다. 등화기(4)는 저항(41)과 커패시터(42)로서 구성된다. 수광소자(1)로써 사용한 PIN포토다이오우드는 PIN접합구조를 갖는다.
본 명세서에서, PIN접합구조는 넓은 의미로 PN접합 구조를 포함한다. 제1도에서, 증폭기(3)를 2단으로 구성된 것으로 나타냈는데, 그단의 수는 제한되지 않고 필요한 만큼단의 수를 설정할 수 있다. 증폭회로(3)에는, 고전자이동도 트랜지스터(HEMT : high electron mobility transistor)(31)과 (32)를 사용한다. HEMT는 FET의 일종으로서, 그 이름에 나타낸 바와 같이 고속으로 동작하기 때문에 마이크로파 대역의 증폭회로로 이용하기에 적합하다. 또한, 증폭회로(3)에는 DC차단 커패시터(33)과 (34), 저항(35)~(37) 그리고 외부와 전기적인 연결을 하기 위한 패드(50)가 제공된다.
수광소자(1)와 증폭회로(3)를 구성한 전자회로와 등화기(4)를 제2도에 나타낸 바와 같이 단일의 반도체기판에 일체적으로 집적하여 OECD회로를 형성한다. 수광소자(1)의 역할을 하는 PIN포토다이오우드와 실제적으로 동일한 PN접합구조를 등화기(4)의 커패시터(542)로 사용한다. 수광소자(1)의 포토다이오우드와 실제적으로 동등한 역바이어스 전압은 신호 주파수에 대해 충분히 큰 임피이던스를 갖는 인덕터(inductor)(5)를 통하여 커패시터(42)에 가해진다. 따라서, PN접합구조는 수광소자(1)와 유사한 포토다이오우드의 역할을 한다. PN접합구조가 커패시터의 역할을 하기 위해서, 수광표면에 광이 비추지 않게 하도록 수광표면을 광차폐 막으로 덮는다. 전극형성공정에서 금속을 사용하므로써, 공정의 수를 증가시키지 않고, 광차폐막을 형성할 수 있다.
제3도는 수광소자(1), HEMT(31)(혹은 32)와 커패시터(42)의 절단면도를 나타낸다. 이젠, 상기 소자의 제조공정을 설명하기로 한다.
약 400㎛의 두께를 갖는 반절연(semi-insulative)inP기판(101)을 준비한다. 그 다음, 유기금속증착성장법(MOVPE : Organic metal vapor growth method)을 이용하여 InP기판(101)위에 에피택셜층(102)~(109)를 연이어서 형성한다.
에피택셜층(102)~(104)는 HEMT(31)(혹은, 32)를 형성하는데 필요하며, 에피택셜층(104)~(109)은 수광소자(1)와 커패시터(42)를 형성하는데 필요하다.
에피택셜층(102)는 200Å의 두께를 갖는 P-InP층과 1800Å의 두께를 갖는 i-InP층으로서 구성된 2층 구조를 갖는 버퍼층(buffer layer)역할을 한다. 버퍼층은 InP기판(101)상에 에피택셜층을 확산시킬 때, InP기판(101)에 불순물을 방지하는 역할을 한다. 에피택셜층(104)은 HEMT(31)(혹은 32)의 활성층 역할을 하며, (104)는 100Å의 두께를 갖는 i-GaInAs층이다.
에피택셜층(104)은 50Å의 두께를 갖는 i-AlInAs하층과 1500Å의 두께를 갖는 n-AlInAs상층으로서 구성된다.
n-AlInAs층을 활성커패시터에 2차원의 전자가스(electron gas)를 형성하기 위해 HEMT(31)(혹은 32)의 활성층(103)에 전자를 공급해주는 역할을 하며, PIN구조는 에피택셜층에 의하여 형성된다. 에피택셜층(106)은 PIN구조의 N-층을 형성하는 2000Å의 두께를 갖는 n-GaInAs층이며, 에피택셜층(108)은 PIN구조의 I-층을 형성하는 2㎛의 두께를 갖는 i-GaInAs층이며, 에피택셜층(109)는 PIN구조의 P-층을 형성하는 8000Å의 두께를 갖는 P-GaInAs층이다.
에피택셜층(102)~(109)을 형성한 후, 제3도에 나타낸 바와 같이 수광소자(1)와, HEMT(31)(32)와, /커패시터(42)을 형성하기 위한 부분만을 남기고 나머지부분은 종래의 광식각법(photolithography)과 에칭기법을 이용하여 제거한다. 상기의 소자(1)과 (42)의 크기는 필요에 따라 서로 다르게 되는데, 이에 대해서는 차후에 설명한다. 중앙부에 수광창(受光窓)을 갖는 양극전극(70)(72)을 수광소자(1)와 커패시터(42)의 P-GaInAs층에 형성하고, 음극전극(71)(73)을 n-GaInAs층(106)상에 형성한다. 커패시터(42)에서, 양극전극(72)의 수광창은 불필요하지만 편의상 양극전극(70)과 같은 구조를 갖는다. HEMT(31)(32)에는 소오스전극(74), 드레인전극(75), 게이트전극(76)을 형성한다.
마지막으로, 전극을 제외한 전체표면에 절연막(77)을 형성하고, 이 절연막상에 원하는 패턴의 와이어링 금속(wiring metal)(78)을 형성한다. 와이어링금속(78)은 커패시터(42)의 광차폐막 역할을 하며, 양극전극(72)의 수광창을 막아 소자내부로 외부의 광이 들어오는 것을 방지한다. 양극전극(72) 대신에 수광창이 없는 전극이 형성되므로, 전극은 광차폐막의 역할을 하게 된다.
수광소자(1), HEMT(31)(혹은 32), 그리고 커패시터(42)의 제조공정에 대해서는 상기에 설명한 바와 같다.
다른 한편으로는, 등화기(4)의 요소인 저항(41)은 수광소자(1)의 부하저항(2)과 같은 구조를 갖는다. 저항(41)과 부하저항(2)은 같은 조건하에서 InP기판(101)에 Si이온을 주입시킨 n-층에 의해서 형성된다.
Ceq와 Req를 (C·RL)=(Ceq·Req)와 같이 놓을 때, C는 수광소자(1)의 접합용량과, 증폭회로(2)에 있는 FET의 입력커패시턴스와, 입력회로의 여러 커패시턴스를 포함하는 입력회로의 커패시턴스를 나타내며, Ceq는 등화기(4)의 커패시터(42)에 대한 커패시턴스를 나타내며, RL은 부하저항(2)의 저항치를 나타내며, Req는 저항(81)의 저항치를 나타낸다. 예를들어서, 저항(41)과 부하저항(2)의 크기가 같은 경우 Rew=RL이 되며, 커패시터(42)의 크기는 Ceq=C를 만족하게끔 결정된다. 이 경우에, C는 수광소자의 접합용량 뿐만 아니라 입력회로의 여러 커패시턴스를 포함하므로, 커패시터(42)를 형성하는 PN접합구조의 크기는 수광소자(1)의 크기와 항상 동등하지 않다. 예를들어, 수광소자(1)의 접합용량이 0.5pF일 때 증폭기(34)의 입력커패시턴스는 0.1pF이다. 입력회로의 커패시턴스 C에 대한 거의 대부분은 수광소자(1)의 접합용량이 차지한다.
C, Ceq, RL, Req에 의해서 결정된 모든 소자를 단일의 반도체기판에 집적하기 때문에, 각 소자는 실제적으로 같은 변화특성을 갖는다.
예를들어, 수광소자(1)의 접합용량을 제조하는 공정에서의 변화에 의해 커패시턴스 C값이 설계중심값으로부터 이탈되면, 동일한 기판상에 동일한 구조로서 형성된 커패시터(42)도 실제적으로 동일하게 이탈한다. 동일한 구조를 갖기 때문에, 외부의 다른 외란으로부터의 영향도 동일하게 받는다. 따라서, 조정을 하지 않아도(C·RL)=(Ceq, Req)의 관계는 필히 유지된다.
앞에 설명한 발명으로부터, 본 발명을 여러 가지 방법으로 변형시킬 수 있음을 알 수 있다.
그러한 변형은 본 발명의 사상과 영역으로부터 벗어난 것으로 간주할 수 없으며, 그런 모든 변형은 다음의 특허청구범위에 포함된다.

Claims (9)

  1. 광을 받아서 전기신호를 발생하기 위한 PN접합구조를 갖는 수광소자(1)와, 상기의 전기신호를 증폭하기 위한 증폭회로(3)와, 증폭신호의 대역보상을 하기 위한 등화기(4)로서 구성된 고임피이던스형 수광반도체장치에 있어서, 상기의 등화기(4)는 저항소자(41)와, 커패시터소자(42)로서 구성되고, 상기 커패시터소자(42)는 상기의 수광소자(1)와 같은 PN접합구조를 가지며, 상기의 등화기(4)를 상기의 수광소자(1)가 형성된 위의 반도체기판상에 형성한 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기의 커패시터 소자(42)는 외부광을 차단하기 위한 광차폐막을 포함하는 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기의 광차폐막은 와이어링금속(78)으로서 형성된 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기의 수광소자(1)는 PIN포토다이오드로서 구성된 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 등화기(4)의 저항(41)의 상기 수광소자(1)의 부하저항(2)과 같은 구조를 갖고, 상기의 수광소자(1)과 같이 동일한 반도체기판에 상기의 등화기(4)를 형성한 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 등화기(4)의 저항(41)과 상기 수광소자(1)의 부하저항(2)은 같은 조건하에서 반도체기판에 이온을 주입함으로써 형성된 n-층인 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기의 증폭회로(3)와 상기의 수광소자(1)와 상기의 등화기(4)를 단일의 반도체기판(101)상에 집적한 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 증폭회로(3)의 주요부에 있는 트랜지스터(31)(32)는 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)인 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기의 반도체기판(101)은 화합물 반도체로서 만들어진 반절연기판인 것을 특징으로 하는 고임피이던스형 수광반도체장치.
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