KR950004550B1 - 수광소자 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도(a) 및 제1도(b)는 종래의 수광소자의 구조를 각각 도시한 도면.
제2도(a) 및 제2도(b)는 종래의 구조 및 본 발명의 구조의 각각에 대해서 측정한 광펄스 응답특성을 도시한 도면.
제3도(a) 및 제 3도(b)는 본 발명의 수광소자의 기본구조를 각각 도시한 도면.
제4도(a) 및 제4도(b)는 본 발명의 제1실시예에 의한 수광소자의 구조를 각각도시한 도면.
제5도는 제1실시예의 수광소자의 밴드갭에너지 차트를 도시한 도면.
제6도(a) 및 제6도(b)는 본 발명의 제2실시예에 의한 수광소자의 구조를 각각 도시한 도면.
제7도(a) 및 제7도(b)는 본 발명의 제3실시예에 의한 수광소자의 각각 구조를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(1) : 반도체기판 (2) : 반도체결정층
(2a) : 버퍼층 (2b) : 수광층
(2c) : 윈도우층 (3) : 제1영역
(4) : 반사방지막 (5) : P전극
(6) : 금속막 (7) : n전극
(8) : 장치보호막 (9) : 수광영역
본 발명은 광통신시스템의 광센서나 반도체레이저의 출력을 감시하기 위하여 사용되는 수광소자에 관한 것이다.
제1도(a) 및 제1도(b)는 각각 종래의 수광소자의 구조의 평면도 및 "X-X'"의 단면도이다.
동도면에 도시한 바와 같이, 종래의 수광소자에 있어서는, 하부쪽에 제1도전형의 전극이 형성되어 있는 제1도전형의 고농도 도핑의 반도체기판(1)의 표면상에, 제1도전형의 저농도 도핑의 반도체결정층(2)이 형성되어 있다. 이 반도체결정층(2)은 버퍼층(2a), 수광층(2b) 및 윈도우층(2c)이 순차적으로 적층형성된 것이다. 반도체결정층(2)에는 불순물이 선택적으로 확산되어 제2도전형의 제1영역(3)을 형성하고 있다. 이것은, 반도체기판(1)은 n층(또는 p층)이고, 반도체결정층(2)는 i층이고, 제1영역(3)은 p층(또는 n층)이고, 수광영역(9)이 그 내부에 형성되어 있는 핀포토다이오드구조이다. 반도체결정층(2)의 표면상의 영역(3)상에는 제2도전형의 전극(5)이 형성되고, 이 전극(5)안쪽의 영역(3)은 반사방지막(4)으로 피복되어 있고, 이 전극(5)의 바깥쪽의 반도체결정층(2)은 장치보호막(예를들면, 불활성화 층)(8)으로 피복되어 있다.
이와같이 구성된 반도체장치에 역바이어스를 인가하면, 반도체결정층(2)의 pn접합영역에는 공핍층이 생성된다. 따라서, 이 공핍층에는 전계가 형성되어, 수광영역 ( 9)에 인가된 광에 의해 발생된 전자와 홀이, 각각 서로 다른 도전형의 제1도전형 반도체기판(1) 및 제 2도전형영역(3)으로 향함으로서, 가속된다. 이와같은 방식으로, 광전류가 유출되어 광신호가 검출된다.
그러나, 제1도(a)와 제1도(b)에 도시한 구조에 있어서, 수광영역(9)의 바깥쪽으로 광이 향하면, 발생된 캐리어가 밀도구배에 의해 확산되어 광전류로서 유출되면서 pn접합영역에 도달한다. 이러한 확산에 의한 캐리어의 운동이 느리므로, 제2도(a)에 도시한 바와 같이 광펄스에 대한 응답파형은 그 단부에서 테일링(tailing)현상이 일어난다. 광통신에 이와같은 수광소자를 사용하면, 광파이버로부터 방출된 광이 집광되어 수광영역(9)으로 향하게 된다. 그러나, 광의 일부가 수광영역(9)으로부터 누설되면, 상기 설명한 이유에 의해 수광소자의 응답속도의 지연을 초래한다. 또한, 고속수광소자에 있어서는, 수광영역(9)의 면적이 감소되어 접합용량이 저감된다. 따라서, 수광영역(9)의 바깥쪽으로 향한 광의 비율이 증가하여, 응답속도가 낮은 확산된 성분이 증가한다. 이에 의해 응답속도는 저하된다.
반도체레이저의 광출력을 일정수준으로 유지하기 위하여 반도체레이저의 후단평면으로부터 방출된 광이 수광소자에 의해 검지되어 반도체레이저용의 구동전류를 피드백제어할때에, 반도체레이저로부터 방출된 광이 수광소자의 수광영역(9)의 바깥쪽으로 확산되면, 상기 설명한 바와 같이, 확산에 의해 저응답속도성분이 생성되어, 피이드백제어에 악영향을 미치게 된다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해소할 수 있는 수광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 수광소자는, 제1도전형의 반도체층의 일부분에 제2도전형의 영역을 선택적으로 형성함으로써 수광영역으로 pn접합영역을 가진 구조이다. 제1도전형의 반도체층의 표면상에는 금속막이 형성되어 수광영역을 둘러싸고 있다.
따라서, 광이 수광영역의 바깥쪽으로 향하여도, 수광영역주위의 반도체결정층의 표면상에 형성된 금속막에 의해 광이 반사된다. 따라서, 반도체결정층의 수광층에 광이 도달되지 않고, 이에 의해 바람직하지 않는 전하의 발생이 방지된다.
본 발명의 다른 목적은, 제1도전형의 고농도 도핑의 반도체기판상에 형성되어 있고, 제1도전형의 저농도 도핑의 반도체층의 일부분에 제2도전형의 고농도 도핑의 영역을 선택적으로 형성함으로써 수광영역으로 형성된 pn접합영역을 가지는 수광소자에 있어서, 제2도전형의 영역주위의 제1도전형의 반도체층상에 금속막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수광소자를 제공하는데 있다.
본 발명은, 설명을 위해서만 제공되며 본 발명을 한정하는 것으로 간주해서는 안되는 첨부도면 및 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 완전히 이해될 수 있다.
또한, 본 발명의 적용가능한 기술적 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백하게 될것이다. 그러나, 본발명의 기술적 사상과 기술적 범위내에서 여러 종류의 변형과 수정은 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하기 때문에, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 상세한 설명 및 특정한 예는 예시에 불과한 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
제3도(a) 및 제3도(b)는 각각 본 발명의 수광소자의 기본구조를 도시한 것이다.
제3도(a)는 평면도이고, 제3도(b)는 “X-X”의 단면도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 하부에 제1도전형의 전극(7)이 형성되어 있고 제1도전형의 고농도 도핑의 반도체기판(1)의 표면상에는, 제1도전형의 저농도 도핑의 반도체결정층(2)이 형성되어 있고, 제2도전형의 영역(3)은 불순물 확산에 의해 형성된다. 영역(3)의 설치에 의해 형성된 pn접합영역은 수광영역(9)으로서 사용된다. 반도체결정층(2)의 표면상의 제1영역(3)상에는 p전극(5)이 형성되어 있고, 이 전극(5)의 안쪽의 제1영역(3)상에는 반사방지막(4)이 형성되어 있고, 전극(5) 바깥쪽의 반도체결정층(2)상에는 장치보호막(8)이 각각 형성되어 있다. 장치보호막(8)상에는 전극(5)으로부터 소정의 간격을 두고 금속막(6)이 피복되어 있다.
핀포토다이오드의 i층으로서 반도체결정층(2)을 사용하는 상기 실시예와 같은 구성에 있어서는, 일반적으로, 결정성장시에 불순물을 첨가하지 않는다. 그러나 반도체결정층은 소정종류의 재료에서의 국부적인 화학 양론적 이동이나, 결정성장장치등으로부터 불순물의 혼합에 의한 제1도전형의 반도체층이어도 된다. 또한, 장치의 전기특성을 개선하기 위하여. 반도체결정층(2)의 형성시에 불순물을 첨가해도 된다. 따라서, 본 발명에서는, “저농도 도핑”의 의미는 “의도적으로 불순물을 첨가하지 않은” 경우도 포함된다. 이와같이 구성된 반도체장치에 역바이어스를 인가하면, 반도체결정층(2)의 pn접합영역에 공핍층이 생성된다. 그래서, 이 공핍층에서는 전계가 형성되어, 수광영역 (9)으로 향한 광에 의해 발생된 전자와 홀은, 각각 제1도전형의 반도체기판(1)과 제2도전형의 영역(3)으로 향하여 가속된다 이와같은 방식으로, 광전류가 유출되어 광신호가 검출된다. 한편, 광이 수광영역(9)의 바깥쪽으로 분산되면, 영역(3)주위의 반도체결정층(2)의 표면상에 금속막(6)이 설치되어 있기 때문에 광은 반사된다. 따라서, 이 광은 반도체결정층(2)의 수광층에 도달되지 않게 되고, 이에 의해 바람직하지 않는 전하의 발생이 방지된다.
이하, 상기 기본구조에 의거한 특정한 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 제4도(a) 및 제4도(b)는 각각 본 발명의 제1실시예의 구조로서, 제4도 (a)는 평면도이고, 제4도(b)는 “X-X”의 단면도이다.
동도면에 도시한 바와 같이, 하부에 n전극(7)이 형성되어 있는 n+형 InP(인화인듐)반도체기판(1) (도우펀트의 농도 n=2×1018cm-3)의 표면상에는, 도우핑하지 않은 InP버퍼층(2a) (n=2×1015cm-3,두께 2㎛),도핑하지 않은 InGaAs(비화인듐칼륨)수광층(2b) (n=2×1015,두께 3.5㎛)과 도핑하지 않은 InP윈도우층 (2c) (n=2×1015c m-3,두께 2㎛)이 형성되어 있다. 수광층상에는 p형영역(3)이 시일드앰풀법(sealed ampoule method ; 반도체웨이퍼와 불순물 재료를 함유하고 있는 밀봉된 실리카튜브를 사용하는 불순물 도핑법)에 의한 Zn(아연)을 선택적으로 확산시켜 형성된다. 반도체결정층(2)의 제 1영역(3)에는 p전극(5)이 형성되어 있고, 이 전극(5)안쪽의 제1영역(3)상에는 반사방지막(4)이 형성되어 있고, 이 전극(5)의 바깥쪽의 반도체 결정층(2)상에는 장치보호막(8)이 형성되어 있다.
또한, 장치보호막(8)상에는 금속막(6)이 형성되어 있다. 금속막(6)과 p전극 (5 )사이에는 5㎛의 일정간격을 유지하고 있으며, 금속막(6)은 p전극(5)을 둘러싸고 있다. 본 실시예에서는, p형영역(3)의 직경은 금속막(6)의 내경보다 작으므로, 금속막 (6 )은 n형영역상에만 존재한다.
제5도에는 핀구조의 밴드갭에너지 차트가 도시되어 있다. 본 실시예에서는, 수광층(2b)의 InGaAs조성은 In0.53Ga0.47As이다. 이 조성은 최소의 밴드갭에너지를 제공하므로. InP층과 격자정합할 수 있는 InGaAsP반도체층에서 파장이 가장 긴 광을 감지할 수 있다.
수광층(2b)의 두께는 1㎛∼7㎛의 범위로 하여, 입사광의 흡수효율을 향상하는 것이 바람직하나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 또, p전극(5)과 그 주위의 금속막(6)사이의 간격은 2㎛∼30㎛의 범위로 하여 양호한 응답특성과 안정한 막의 형성을 얻을 수 있도록 하는 것이 보다 바람직하나, 이것에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 수광소자에 대해서 측정한 응답속도특성이 제2도(b)에 도시되어 있다. 수광영역의 밖으로 확산된 표유광(stray light)은 수광층에 도달하지 않으므로, 응답속도의 저감이 방지된다. 수광소자의 p전극(5)과 주위의 금속막(6)간의 간격이 좁을수록, 응답시간의 저감이 방지된다는 것은 증명되어 있다.
본 실시예에 있어서, 입사광의 파장은 1.3㎛이다. 수광층(2b )은 In0.53 Ga0 .47As층이므로, 1.55㎛와 같이 파장이 긴 입사광에 대해서도 상기와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 대해서 제6도(a) 및 제6도(b)를 참조하면서 설명한다.
제6도(a)는 평면도이고, 제6도(b)는 “X-X”의 단면도이다.
동도면에 도시한 바와 같이 하부쪽에 n전극(7)이 헝성되어 있는 n+형 InP반도체기판(1) (n=2×1018cm-3)의 표면상에는, 도핑하지 않은 InP버퍼층 (2a)(n=2×1 015cm-3,두께 2㎛), 도핑하지 않은 InGaAs수광층(2b)(n=2×1015cm-3,두께 3.5㎛) 및 도핑하지 않은 InP윈도우층(2c)(n=2×1015cm-3,두께 2㎛)이 순차적으로 형성되어 있다. 또한, p형영역 (3)은 Zn의 선택적 확산에 의해 형성된다. p형영역(3)의 직경은 50㎛이다. 이 영역(3)상에는 P전극(5)에 형성되어 있고, 이p전극(5)안쪽의 제1영역 (3)상에는 반사방지막(4)이 형성되어 있고, 이 전극(5)의 바깥쪽의 반도체결정층(2c)상에는 장치보호막(8)이 각각 헝성되어 있다. 장치보호막(8)과 제1도전형의 반도체결정층(2c)상에는 금속막(6)이 형성되어 있다. p전극(5)과 주위의 금속막(6)과의 간격은 10㎛이다.
상기와 같은 구성에 있어서는, 표유광의 입사가 P형영역(3)주위의 금속막에 의해 방지되므로, 응답속도의 저감이 방지된다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 대하여 제7도(a) 및 제7도(b)를 참조하면서 설명한다.
제7도로(a)는 평면도이고, 제7도(b)는 "X-X'"의 단면도이다.
본 실시예에 있어서, 하부쪽에 n전극(7)이 형성되어 있는 n+형 InP 반도체기판 (1)(n=2×1018cm-3)상에는, 도핑되지 않은 InGaAs수광층(n=1×101 5cm-3,두께5㎛)이 형성되어 있고, p형영역(3)이 Zn이 선택적 확산에 의해 형성된다. 영역(3)의 직경은 100㎛이고, 이 영역(3)상에는 p전극(5)이 형성되어 있고, p전극(5)안쪽의 제1영역(3)상에는 반사방지막(4)이 형성되어 있고. 이 전극(5)의 바깥쪽의 반도체결정층 (2)사이에는 장치보호막(8)이 각각 형성되어 있다. 또, 장치보호막(8)위에는 금속막( 6)이 형성되어 있다. p전극(5)과 주위의 금속막(6)사이의 간격은 15㎛이다. 본 실시예에 있어서, p형영역(3)의 직경은 금속막(6)의 내경보다 크므로, n형영역과 P형영역 (3)의 일부분에 금속막(6)이 존재한다. 금속막(6)은 P형영역(3)안으로 1㎛ 이상 연장되어 있고, 동시에 p전극(5)의 에지부로부터 2㎛ 이상 떨어져 있는 것이 바람직하나, 이것에 한정되는 것은 아니다.
상기 구조에 의해서, 수광영역(9)의 바깥쪽으로 향한 모든 광은 금속막(6)에 의해 반사되어, 수광영역(9)에 의해서만 흡수된다. 따라서, 수광영역(9)의 바깥으로는 전하가 발생되지 않아, 응답속도의 저감이 효과적으로 방지된다.
상기 반도체재료 및 그 치수는 예로서 주어진 것으로서, 적용과 파장에 따라 변환된다. 예를 들면, 반도체재료는 GaAs (비화칼륨) , InGaAsP(인화알루미늄칼륨비소) , AIGaAs(비화알루미늄칼륨) , CdTe(텔루륨화카드뮴), HgCdTe(텔루륨화수은카드윰), Insb(안티몬화인듐) 또는 Si(규소)나 Ge(게르마늄)등의 화합물 반도체이어도 된다. 불순물은 Be(베릴륨)이나 Ga(칼륨)이어도 된다. 또한, 불순물의 확산은 이온주입법에 의해서 행하여도 된다.
이상 본 발명에 의하면, 수광영역주위의 제1도전형의 반도체결정층상에 증착법으로 헝성된 금속막에 의해 수광영역의 바깥쪽으로 향한 광을 반사시키는 간단한 방법에 의해 응답속도의 저감이 방지되어, 응답성이 높은 수광소자가 제공된다.
상기 실시예에 있어서는, 반도체결정층상에 장치보호막이 형성되고, 그위에 금속막이 형성되어 있다. 또한, 장치보호막을 형성하지 않고 반도체결정층상에 직접적으로 금속막을 형성해도 된다.
이상 설명한 본 발명으로부터, 본 발명은 여러가지의 방식으로 변형시킬 수 있음이 명백하다. 이와같은 변형은, 본 발명의 기술적 사상과 기술적 범위로부터 일탈하는 것으로 간주되어서는 않되고, 당업자에게 자명한 바와 같은 이러한 모든 변형을 다음 특허청구의 범위내에 포함하도록 의도되어 있다.
Claims (9)
- 제1도전형의 고농도 도핑의 반도체기판과, 상기 고농도 도핑의 반도체기판상에 형성된 제1도전형의 저농도 도핑의 반도체층과, 제2도전형의 고농도 도핑의 영역 및 상기 제1도전형의 저농도 도핑의 반도체층이 pn접합의 수광영역을 형성하고, 상기 저농도 도핑의 반도체층의 일부에 형성된 제2도전형의 고농도 도핑의 영역과, 상기 고농도 도핑의 영역의 주위와 상기 저농도 도핑의 반도체층위에 직접직으로 형성된 절연층과, 상기 고농도 도핑의 영역의 주요면에서 상기 고농도 도핑의 영역을 접촉하는 전극과, 상기 절연층 위에 헝성되고, 또한 상기 저농도 도핑의 반도체층을 접촉하는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 고농도 도핑의 영역을 접촉하는 전극은, 상기 고농도 도핑의 영역의 주요면에서의 상기 pn접합의 에지부분을 덮는 상기 절연층위의 부분과 상기 고농도 도핑영역을 접촉하는 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 수광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1도전형의 반도체층은, 상기 반도체기판의 조성과 동일한 조성을 가지는 반도체의 결정성장에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1도전형의 반도체층은, 상기 반도체기판의 불순물 농도보다 낮은 불순물 농도를 가지는 복수의 반도체층의 적층구조이고. 상기 반도체층을 접촉하지 않는 상기 복수의 반도체층중에서 1개 이상의 층은, 상기 반도체기판의 조성과 다른 조성을 가진 것을 특징으로 하는 수광소자.
- 제4항에 있어서, 상기 반도체기판은 n+형 InP(인화인듐)이고, 상기 반도체층은, 도핑되지 않은 InP버퍼층과, n형 InGaAs(비화인듐칼륨)수광층 및 n형 InP윈도우층을 순차적으로 적층한 것을 특징으로 하는 수광소자.
- 제1도전형의 고농도 도핑의 반도체기판과, 상기 고농도 도핑의 반도체기판상에 형성된 제1도전형의 저농도 도핑의 반도체층과, 제2도전형의 고농도 도핑의 영역 및 상기 제1도전형의 저농도 도핑의 반도체층이 pn접합의 수광영역을 형성하고, 상기 저농도 도핑의 반도체층의 일부에 형성되고, 상부면에 주요면을 가지는 제2도전형의 고농도 도핑의 영역과, 상기 고농도 도핑의 영역의 주위와 상기 저농도 도핑의 반도체층위에 직접적으로 형성된 절연층과, 상기 제2도전형의 고농도 도핑의 영역을 접촉하는 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 상기 고농도 도핑의 영역의 상기 주요표면의 방향으로 상기 고농도 도핑의 영역의 에지를 초월한 부분에 이르고 또한 상기 절연층의 상부표면상에 연장되는 제2부분을 가지는 전극과, 상기 저농도 도핑의 반도체층의 상부에서 상기 절연층위에 형성된 금속층을 포함한 것을 특징으로 하는 수광소자.
- 제6항에 있어서, 상기 제1도전형의 상기 반도체층은, 상기 반도체기판의 조성과 동일한 조성을 가지는 반도체의 결정성장에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수광소자.
- 제6항에 있어서, 상기 제1도전형의 반도체층은, 상기 반도체기판의 불순물 농도보다 낮은 불순물 농도를 가지는 복수의 반도체층의 적층구조이고, 상기 반도체기판을 접촉하지 않는 상기 복수의 반도체층중에서 1개 이상의 층은, 상기 반도체기판의 조성과 다른 조성을 가진 것을 특징으로 하는 수광소자.
- 제8항에 있어서, 상기 반도체기판은 n+형 InP(인화인듐)이고, 상기 반도체층은, 도핑되지 않은 InP버퍼층과, n형 InGaAs(비화인듐칼륨)수광층 및 n형 InP윈도우층을 순차적으로 적층한 것을 특징으로 하는 수광소자.
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