KR960001467B1 - 초격자구조(superlattice)의 증폭층을 갖는 애벌란체 포토다이오드(APD:Avalanche Photodiode) - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 일반적인 InAlAs/InGaAs(P)초격자의 증폭층을 갖는 종래의 APD의 구조적 단면도.
제2도는 본 발명에 따라 InAlAs/InGaAs의 초격자 구조를 증폭층으로 이용한 APD의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : InP기판 11 : 에피택셜층
13 : 층 14 : 증폭층
본 발명은 스트레인드(Strained) 초격자 구조를 증폭층을 이용한 APD(Avalanche Photodiode)의 구조에 관한 것이다.
광통신용 수광소자로 많이 사용되는 APD는 내부이득을 갖고 있기 때문에, 수신감도면에 있어서는 PIN-PD에 비해 유리하다. 따라서 APD는 Gbps급 이상의 고속 광통신에서 더욱 각광을 받게 되는 소자이다.
APD는 구조상 흡수층과 증폭층으로 크게 구성되어 있고, 특히 흡수층에서는 광신호를 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성한다. 광여기(photoexcitation) 전자-정공 쌍은 내부전기장에 의해 분리되고, 이중 한 종류의 캐리어(carrier)인 전자 혹은 정공이 증폭층으로 주입되며, 이 주입된 태리어는 증폭층에 인가된 높은 전기장에 의해 가속 에너지를 얻어서 가전대의 전자와 충돌함으로써 새로운 전자와 정공의 쌍을 생성하게 된다.
그 결과, APD는 내부이득을 얻는다.
전술한 바와같이, APD가 내부이득을 얻기 위해서는 내부이득이 얻어지는 증폭층에 인가되는 전기장의 세기를 크게하기 위하여 APD에 높은 전압을 인가하게 되고, 이때 밴드갭이 작은 물질로 형성된 경우에는 내부이득을 위한 애벌란체 증폭(avalenche multiplication)과 함께 터넬링(tunne-ling)현상이 많이 일어나게 된다.
통상, 터넬링현상은 광신호와 관계없이 인가된 전기장의 세기에 따라 발생하기 때문에 APD의 잡음을 증가시키게 되고 또한 APD의 동작특성을 매우 저하시킨다. 광 통신용으로 APD를 사용하기 위해서는 광통신 사용 파장대역인 1.3∼1.55㎛의 빛을 흡수하여야 하기 때문에 밴드갭이 0.76eV 정도로 작은 In0.53Ga0.47As를 사용하게 되고, 이로써 터넬링 문제가 심각하게 된다. 따라서 밴드갭이 큰 InP에서 증폭이 일어나도록 하는 SAM(Separated Absorption and Multiplication)구조가 제안되었다. SAM구조로 APD를 만들 경우, 증폭이 밴드갭이 큰 InP에서 이루어지게 되어 터넬링이 감소하게 되고, 이에 따라, 증폭률의 증가등의 장점이 얻어질 수 있으나, InP물질의 특성상 전자와 정공에 대한 이온화 계수비(ionization coefficient ratio; β/α ratio α＞β)가 비슷하기 때문에 증폭에 따른 잉여 잡음이 커지는 현상이 발생하게 되어 APD의 성능 중 수신감도(sensitivity)를 크게 감소시킨다.
따라서, 물질이 갖는 이온화계수 비를 인위적으로 작게 하여 증폭에 따른 잉여잡음을 감소시키려는 노력이 많이 이루어져 왔고, 여러 방안중 대표적인 예가 InP에 격자정합 되는 InGaAs(P)/InAlAs 초격자구조를 증폭층으로 사용하는 APD인 것이다. InGaAs(P)InAlAs 초격자는 전도대 불연속값(ΔEc conduction band discontinuity)이 큰 반면, 가전대 불연속값(ΔEv valence band discontinuity)이 작기 때문에 증폭층에서 전자가 전기장에 의한 에너지 이외에도 전도대 불연속값 ΔEc에 의한 에너지를 공급 받게 되어 유효 이온화 계수비가 향상된다.
제1도는 종래의 InGaAs(P)/InAlAs 초격자구조를 증폭층으로 하는, APD의 구조를 예시하고 있다.
제1도에서, (1)은 n+형 InP 기판이고, (2)는 버퍼층(buffer layer)으로 성장된 n형 InP(1×1018cm-3, 두께 2㎛)에피층이며, (3)은 상기 에피층(2)의 InP에 격자정합된 n+형 In0.52Al0.48As층으로서 증폭층(multiplication layer)에 높은 전기장을 인가하기 위해 높은 불순물 농도를 갖는다. (4)는 증폭층으로서 흡수층(absorption layer:6)에서 입력된 광신호에 의해 광여기(photoexcitation)된 정공(hole)이 임팩트 이온화(impact ionization)에 의해 여러개의 전자와 정공을 생성한다.
상기 증폭층(4)은 보통 In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As의 초격자(superlattice)를 사용하는데, In0.53Ga0.47As의 밴드갭이 작기 때문에 터넬링 현상(tunneling)에 의한 암전류증가로 인하여 APD의 특성이 저하되는 문제가 발생하였다.
따라서, 밴드갭이 작은 In0.53Ga0.47As 대신 InP에 격자정합되며 1.0ev정도의 밴드갭을 갖는 InGaAsP를 사용한 초격자구조의 증폭층이 또한 제안되었다. (5)는 p+형 InP층으로서 상기 증폭층(4)에 큰 전기장이 인가되는 동시에 흡수층(6)에 작은 전기장이 인가되어 밴드갭이 작은 흡수층(6)에서 터넬링현상에 의한 암전류의 증가를 막기위해 높은 불순물 농도를 갖는다. (6)은 입력 광신호가 광여기에 의해 전자와 정공을 만들어 내는 흡수층으로서 밴드갭이 작은 In0.53Ga0.47As를 사용한다.
(7)과 (8)은 p형과 n형 오믹(ohmic)접합용 금속층들이며, (9)는 입사 광신호를 나타낸다.
이와같이, InGaAs(P)/In0.52Al0.48As 초격자구조의 증폭층(4)을 갖는 APD를 제조할 경우, InGaAsP와 In0.53Al0.48As의 초격자 성장시 As와 P를 포함하는 화합물 반도체의 성장이 필요하기 때문에, 두께와 도핑농도의 조절에 있어 공지된 MBE(Molecular Beam Epitaxy)로는 성장할 수 없었다.
그러나, 최근 개발되고 있는 가스원(Gas Source)MBE나 CBE(Chemical Beam Epitaxy)를 사용하여 초격자 구조를 성장할 수는 있으나, 장비상에 큰 제약이 있다.
또한, 100Å정도의 초박막 InGaAsP와 In0.53Al0.48As를 교대로 성장하여야 하기 때문에 이를 위해 P와 As의 공급원으로 사용하는 PH3와 AsH3을 매우 짧은 시간내에 바꾸어야 한다.
이때 공급가스의 급격한 교체가 완벽하게 이루어지지 못함에 따라 잔류하는 공급가스에 의해 InGaAsP/In0.53Al0.48As의 계면이 나빠지게 되어 소자의 성능을 저하시킨다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위해 InAlAs/InGaAs 초격자 구조를 증폭층으로 사용한 애벌란체 포토다이오드의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 특징에 의한 초격자구조를 증폭층으로 사용하는 애벌란체 포토다이오드는 n+형 InP기판과, 상기 기판상에 버퍼층으로 형성된 n+형 InP에피택셜층과, 상기 에피택셜층 상에 형성된 n형 In1-xAlxAs(0＜X＜0.48)층과, 상기 In1-xAlxAs층 보다 불순물 농도가 상대적으로 크게하여 상기 층 상에 형성된 n+형 In1-xAlxAs층과, 상기 층 상에 형성된 In0.53Ga0.47As/In1-xAlxAs의 초격자 구조를 갖는 증폭층과, 상기 증폭층 상에 순차 형성된 p형 In1-xAlxAs층과, 상기 층 상에 형성된 In0.53Ga0.47As로 된 흡수층과, 상기 흡수층 상에 순차 형성된 표면누설 전류량 감소용 p형 InP층과 오믹접합용 In0.53Ga0.47As층을 포함한다.
상기 구성에서 상기 에피택셜층은 두께가 약 3㎛이고, 불순물 농도가 약 1×1018cm-3인 것을 특징으로 하는 초격자 구조(superiattice)의 증폭층을 갖고, 상기 p형 In1-xAlxAs층은 불순물 농도가 약 1×1018cm-3이고, 두께는 300Å∼400Å로 구성된다.
이하 첨부도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 의한 애벌란체 포토다이오드의 구조를 예시하고 있다. 제2도에서, (10)은 기판으로서 n+형 InP기판이고, (11)은 버퍼층인 3㎛두께의 n+형 InP에피층이며 불순물 농도는 1×1018cm-3정도이다. (12)는 n형 In1-xAlxAs(0＜X＜0.48)층으로서 n형 In0.52Ga0.48As의 조성에서 In0.53Ga0.47As/In1-xAlxAs초격자에서 사용할 In1-xAlxAs의 조성까지 조성에 변화를 갖는 층이다. (13)은 n+형 In1-xAlxAs층으로서 불순물 농도는 약 1×1018cm-3이고, 두께는 약 300Å이다. 상기층(13)은 층(12)보다 불순물 농도가 상대적으로 높다. (14)는 In0.53Ga0.47As/In1-xAlxAs초격자 구조의 증폭층이며, (15)는 p형 In1-xAlxAs층으로서 불순물 농도는 약 1×1018cm-3이고, 두께는 약 300Å∼400Å이다.
(16)은 p형 In1-xAlxAs층으로서 p형 In1-xAlxAs에서 p-In0.52Ga0.48As까지 조성의 변화를 갖는 층이다. (17)은 흡수층으로서 In0.53Ga0.47As으로 되어 있고, (18)은 표면 누설전류의 양을 최소화하기 위한 p형 InP층이고, (19)는 오믹(ohimic)접합을 위한 In0.53Ga0.47As층이다. (20)과 (21)은 P, n형 오믹 접합 금속층이다.
이와같이, InGaAsP/In0.52Ga0.48As 초격자 증폭층(제1도의 4)대신에 본 발명에 의한 구조에서와 같이, In0.53Ga0.47As 우물층에 압축응력(compressive stres)이 인가되는 In0.53Ga0.47As와 In1-xAlxAs(0.48＜x)초격자 구조를 증폭층으로 이용하면 다음과 같은 장점을 갖는다.
첫째, In0.53Ga0.47As/In1-xAlxAs Strained 초격자 구조를 이용할 경우인(P)를 포함하는 화합물 반도체를 성장할 필요가 없기 때문에 기존의 잘 발달된 MBE성장기술을 그대로 이용하여 고품위 에피층을 정확한 두께와 농도로 성장할 수 있다.
또한, 공급 가스의 교체 및 잔류에 따른 In0.2Ga0.8As/In1-xAlxAs이 종접한 계면에서의 불균일성 및 급준성의 저하를 방지 할 수 있어 소자의 성능 향상을 기할 수 있는 장점을 갖는다.
둘째, 스트레인드(Strained)초격자 구조에서 증폭이 일어나는 우물층인 InGaAs층에 압축응력이 인가 되도록 In1-xAlxAs의 조성을 조절하여 성장시켜서 InGaAs의 유효 밴드갭이 증가하게 된다.
이와같이 InGaAs 우물층의 밴드갭이 증가함에 따라서 터넬링에 의한 암전류를 줄일 수 있으며 APD 사용시 보다 큰 증폭률을 갖도록 APD를 동작시킬 수 있어, 종래의 격자정합된 InGaAs(P)/InAlAs APD보다 내부이득을 크게 할 수 있다. 이로써 APD의 수신감도를 향상시킬 수 있다.
셋째, In0.53Ga0.47As/In1-xAlxAs strained 초격자의 사용시 격자 부정합에 의한 스트레인의 조절을 위해 Al의 조성 x를 InP와의 격자정합 조건인 0.48에서 증가함으로써 초격자 구조의 장벽층으로 사용된 In1-xAlxAs의 전자친화력(electron affinity)이 감소하며, 또한 InGaAs/InAlAs의 전도대 불연속 값이 증가하게 되어 증폭층(14)에서의 전도대 불연속 값에 의해 전자가 얻은 에너지가 증가하게 되어 유효 이온계수비(k=β/α)가 감소된다.
이로인해 증폭에 따른 잡음이 감소하고, 수신감도가 향상 된다는 장점을 갖는다.
Claims (3)
- 초격자구조를 증폭층으로 사용하는 애벌란체 포토다이오드의 구조에 있어서, n+형 InP기판(10)과, 상기 기판(10)상에 버퍼층으로 형성된 n+형 InP에피택셜층(11)과, 상기 에피택셜층(11)상에 형성된 n형 In1-xAlxAs(0＜X＜0.48)층(12)와, 상기 In1-xAlxAs층(12)보다 불순물 농도가 상대적으로 크게하여 상기 층(12)상에 형성된 n+형 In1-xAlxAs층(13)과, 상기 층(13)상에 형성된 In0.53Ga0.47Asp/In1-xAlxAs의 초격자 구조를 갖는 증폭층(14)와, 상기 증폭층(14)상에 순차 형성된 p형 In1-xAlxAs층(15), (16)과, 상기 층(16)상에 형성된 In0.53Ga0.47As로된 흡수층(17)과 상기 흡수층(17)상에 순차 형성된 표면누설 전류량 감소용 p형 InP층(18)과 오믹접합용 In0.53Ga0.47As층(19)을 포함하는 구성을 특징으로 하는 애벌란체 포토다이오드.
- 제1항에 있어서, 상기 에피택셜층(11)은 두께가 약 3㎛이고, 불순물 농도가 약 1×1018cm-3인 것을 특징으로 하는 초격자 구조(superiattice)의 증폭층을 갖는 애벌란체 포토다이오드(APD:Avalanche Photodiode).
- 제1항에 있어서, 상기 p형 In1-xAlxAs층(15)은 불순물 농도가 약 1×1018cm-3이고, 두께는 300Å∼400Å인 것을 특징으로 하는 초격자 구조(superlattiec)의 증폭층을 갖는 애벌란체 포토다이오드(APD:Avalanche Photodiode).
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