KR100352816B1 - 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광검출기에 있어서 속도특성을 향상시키기 위해 소자 내를 통과하는 정공의 유효질량을 감소시키는 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조에 관한 것이다.
광검출기의 속도특성을 향상시킬 수 있도록, Semi-insulating 인듐인 기판(25)과, Semi-insulating 인듐인 기판(25)위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 n+형 오믹층(3)과, n+형 오믹층(3) 위에 성장되는 InxGa1-xAs(x<0.53)의 결정층인 i형 광흡수층(2)과, i형 광흡수층(2)위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 p+형 오믹층(1)을 포함하는 pin형과, Semi-insulating 인듐인 기판(25)과, Semi-insulating 인듐 인 기판(25)위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 n+형 오믹층(6)과, n+오믹층(6) 위에 성장되는 InxGa1-xAs(x<0.53)의 결정층인 i형 또는 n-형 광흡수층(5)과, i형 또는 n-형 광흡수층(2)위에 성장되는 In0.52Al0.48As의 결정층인 i형 또는 n-형 쇼트키층(4)을 포함하는 쇼트키형 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조를 제시하여 광검출기의 속도특성을 향상시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 광검출기에 있어서 속도특성을 향상시키기 위해 소자 내를 통과하는 정공의 유효질량을 감소시키는 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조에 관한 것이다.
일반적으로 광검출기(photodetector)는 빛을 검출하여 그 강도를 전기 신호로 변환하는 트랜스듀서를 말한다. 광전지(실리콘, 셀렌), 광도전 소자(황화 카드뮴, 셀렌화 카드뮴), 포토 다이오드, 포토트랜지스터, 광전자 증배관, 광전관(진공, 가스 봉입) 등이 있다.
위의 광검출기는 일반적으로 광변환효율이 우수한 직접천이 반도체(direct bandgap semiconductor)를 이용하여 제작된다.
광검출기는 구조가 다양하여 가장 일반적인 구조로는 p-n 접합을 이용하는 pin형 광검출기와, 쇼트키접합(Schottky junction)을 이용하는 쇼트키형 광검출기와 MSM(Metal Semiconductor Metal)형 광검출기 등이 있다. 이들 중 pin형 광검출기와 쇼트키형 광검출기의 소자구조에 관하여 도 1a, 도 1b에 나타나 있다.
도 1a는 일반적인 쇼트키형 광검출기의 소자 구조의 단면도 및 에너지밴드 구조도이다.
도 1b는 일반적인 pin형 광검출기의 소자 구조의 단면도 및 에너지밴드 구조도이다.
도 1a, 도 1b를 참조하여 설명하면, 일반적인 쇼트키형 광검출기와 pin형 광검출기에 있어서 광검출기의 속도를 결정하는 두 가지 주요 요인은 광검출기의 정전용량(capacitance)과 저항(resistance)에 의해 결정되는 시정수(τRC: RC time constant)와 광신호에 의해 발생되는 전자(electron) 또는 정공(hole)이 광검출기의 광흡수층(T)을 지나가는데 걸리는 시간(τT: transit time)이 있다. 광검출기의 속도를 극대화하기 위해서는 이 두 요인들은 최적화 하여야 하는데, 일반적으로 초고속 광검출기는 전달시간에서 시정수 τRC값이 τT값에 비하여 훨씬 작은 값을 갖도록 설계된다.
또한, 광검출기의 광흡수층(T)에 입력되는 빛(photon)(20)은 전자 및 정공쌍을 발생시킨다. 발생된 전자 및 정공쌍은 서로 반대 방향으로 움직여 오믹 금속이나 쇼트키 금속과 만나 전류로 검출되게 된다.
일반적으로 반도체 내에서 전자와 정공의 속도는 서로 다르며 전자의 속도가 정공의 속도보다 훨씬 빠르다. 이는 전자와 정공의 유효질량의 차이 때문인데 인듐인(InP)에 격자정합되어 있는 In0.53Ga0.47As의 경우 전자의 유효질량(me)은 0.041m0이며 정공의 유효질량(mh)은 0.46m0로 정공이 전자에 비해 10배 이상 무서운 것을 알 수 있다. 여기에서 m0는 자유전자의 질량이다.
위에서 설명된 광검출기에 광신호가 가해졌을 때의 검출되는 전자 및 정공의 전류 특성에 관하여 도 1c에 도시되 있다.
도 1c는 일반적인 광검출기의 전자 및 정공 전류 신호 응답 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1c를 참조하여 설명하면, 임펄스 형태의 광신호(20)가 광검출기에 가해졌을 때 검출되는 펄스형 전류신호로서 전체전류는 전자 및 정공에 의한 전류신호로 이루어져 있다. 전자 및 정공에 의한 전류신호의 폭이 다른 것은 각각 속도 차이에서 기인한다.
결과적으로 광검출기의 속도특성은 정공의 속도특성에 의해 결정되며 이를 정량적으로 나타내면 다음과 같다.
전자 및 정공이 도 1a, 도 1b 의 광흡수층(T)을 지나는데 걸리는 시간을 각각 τe와 τh라 할 때 광검출기의 주파수 대역폭: B 는
B = 1/2π(τe+ τh)로 표현될 수 있으며, τe< τh이므로,
B ~ 1/2πτh이며정공의 속도 특성에 의해 결정됨을 알 수 있다.
상기에서 인듐인(InP) 기판에 격자정합된 In0.53Ga0.47As를 광흡수층으로 사용하는 광검출기는 1.55μm 파장을 갖는 광신호를 검출할 수 있는 장파장 광통신용 광검출기로 사용하고 있다. 위에서 설명한 바와 같이 이 물질에서 정공의 유효질량은 전자의 유효 질량에 비해 매우 커서 제작되는 광검출기의 속도 제한 요인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제시된 것으로서 본 발명의 목적은 정공의 유효질랑을 작게함으로써 정공의 속도를 증가하게 하여 광검출기의 속도 특성을 향상시키는 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서, Semi-insulating 인듐인 기판과, Semi-insulating 인듐인 기판 위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 n+형 오믹층과, n+형 오믹층 위에 성장되는 InxGa1-xAs (x<0.53)의 결정층인 i형 광흡수층과, i형 광흡수층 위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 p+형 오믹층을 포함하는 pin형과, Semi-insulating 인듐인 기판과, Semi-insulating 인듐인 기판 위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 n+형 오믹층과, n+오믹층 위에 성장되는InxGa1-xAs (x<0.53)의 결정층인 i형 또는 n-형 광흡수층과, i형 또는 n-형 광흡수층위에 성장되는 In0.52Al0.48As의 결정층인 i형 또는 n-형 쇼트키층을 포함하는 쇼트키형 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조가 제시된다.
도 1a는 일반적인 쇼트키형 광검출기의 소자 구조의 단면도 및 에너지밴드 구조도
도 1b는 일반적인 pin형 광검출기의 소자 구조의 단면도 및 에너지밴드 구조도
도 1c는 일반적인 광검출기의 전자 및 정공 전류 신호 응답 특성을 설명하기 위한 그래프
도 2a는 InGaAs 광흡수층의 스트레인에 따른 에너지 밴드 구조의 변화를 나타내는 그래프
도 2b는 InGaAs의 격자부정합도와 임계 두께와의 관계를 나타내는 그래프
도 3a는 기판의 패턴형성을 설명하기 위한 예시도
도 3b는 광검출기의 에피택시얼 구조의 성장을 설명하기 위한 예시도
도 3c는 광검출기 외부의 소자제작에 필요없는 에피택시얼 구조의 식각을 설명하기 위한 예시도
도 3d는 광검출기 에피텍시얼 구조를 성장하는 또 다른 방법으로 선택적 성장법을 이용하는 것을 설명하기 위한 예시도
<도면 및 표의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 3, 6 : 오믹층 2, 5, T : 광흡수층
4 : 쇼트키층 7 : 광검출기 에피 재결정성장용 메사 패턴
8 : 광검출기 에피 구조 식각용 패턴
9 : 유전체 패턴 마스크 10 : 유전체 제거 후 광검출기 에피 메사 패턴
20 : 빛, 광신호 25 : 기판
30 : 광검출기 에피택시얼 구조
35 : 유전체 LH : 가벼운 정공
HH : 무거운 정공
이하에서는 본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2a는 InGaAs 광흡수층의 스트레인에 따른 에너지 밴드 구조의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2b는 InGaAs의 격자부정합도와 임계 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
먼저 도 2a를 참조하여 설명하면, 위의 도 1a, 도 1b에 나타난 바와 같이 pin형 및 쇼트키형 광검출기에서는 전자 및 정공은 결정면에 수직인 방향, 즉 결정성장방향으로 운동하기 때문에 이 방향으로 정공의 유효질량을 줄여야 한다.
In0.53Ga0.47As에서 정공의 유효질량(또는 속도 특성)은 성장되는 결정층에 가해지는 스트레인에 의해 변형될 수 있다. x= 0.53 인 InxGa1-xAs는 인듐인(InP) 기판에 격자정합이 되어 있으며 결정층에 스트레인이 가해지지 않는다.
도 2a를 참조하면, 좌측에 도시된 도면은 InxGa1-xAs의 결정층에 스트레인이 가해지지 않은 경우 (즉 x= 0.53의 경우)의 전자 및 정공의 에너지와 운동량과의관계 그래프로서, 밸런스밴드(Valence Band)에서 무거운 정공(HH: heavy hole)과 가벼운 정공(LH: light hole)의 에너지밴드 구조가 도시돼 있다.
In0.53Ga0.47As의 경우 무거운 정공 에너지 밴드구조에서 무거운 정공의 유효질량(mhh)은 0.46m0이며 가벼운 정공 에너지 밴드구조에서 가벼운 정공의 유효질량(mlh)은 0.051m0이다.
결정층에 스트레인이 가해지지 않았을 때 이 두 개의 에너지밴드구조는 운동량이 0인 부분에서 서로 붙어 있으며 이 때문에 전체적인 정공의 유효 질량(mh)은 무거운 정공의 유효질량(mhh)과 유사하다(mh~ mhh).
이때, x 값이 0.53보다 작은 InxGa1-xAs 결정층이 인듐인 기판에서 성장할 때, 이 결정층의 격자상수가 인듐인의 격자상수보다 작기 때문에 인장성 스트레인(biaxial tensile strain)이 가해진다.
위와 같은 경우 도 2a의 우측에 도시된 바와 같이, 밸런스밴드(Valence Band)에 있는 무거운 정공(HH)와 가벼운 정공(LH)의 에너지밴드구조가 서로 격리(Band Splitting) 되며 가벼운 정공 에너지 밴드구조가 무거운 정공 에너지 밴드구조 위로 상승하게 된다.
가벼운 정공 에너지 밴드구조가 무거운 정공 에너지밴드구조 위로 충분히 상승할 경우 정공의 결정성장 방향(즉 결정면에 수직한 방향)으로의 전체 정공의 유효질량(mh)은 가벼운 정공의 유효질량(mlh)과 유사하게 된다(mh~ mhh).
즉, 광흡수층(T)으로 사용되는 InxGa1-xAs결정층의 x 값을 0.53보다 작게 할 경우 pin형 또는 쇼트키형 광검출기에서 정공의 진행방향으로의 유효질량의 크기가 작아져서 정공의 속도가 증가하게 되므로 광검출기의 속도특성이 향상된다.
상기와 같은 원리에 의해 본 발명인 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조에 관하여 표 1, 표 2를 참조하여 두가지 실시예를 보이면 다음과 같다.
표 1은 본 발명인 pin형 InGaAs 광검출기 에피택시얼 구조의 일실시예이다.
표 2는 본 발명인 쇼트키형 InGaAs 광검출기 에피택시얼 구조의 일실시예이다.
| 층이름 | 반도체 타입 | 물질 |
| 오믹층(1) | p+형 | In0.53Ga0.47As |
| 광흡수층(2) | i형 | InxGa1-xAs(x<0.53) |
| 오믹층(3) | n+형 | In0.53Ga0.47As |
| 층이름 | 반도체 타입 | 물질 |
| 쇼트키층(4) | i 또는 n-형 | In0.52Al0.48As |
| 광흡수층(5) | i 또는 n-형 | InxGa1-xAs(x<0.53) |
| 오믹층(6) | n+형 | In0.53Ga0.47As |
상기의 표1, 표 2에 도시된 실시예와 같은 구조로 pin형 또는 쇼트키형 광검출기를 설계하면 정공의 진행방향으로의 유효질량의 크기가 작아져서 정공의 속도가 증가하게 되므로 광검출기의 속도특성이 향상된다.
그리고, 표 2의 쇼트키층(4)은 Superlattice 또는 선형 그레이딩 기법을 이용한 InGaAlAs 그레이딩층이나 InGaAsP 그레이딩층을 사용하여 일반 광흡수층(5)보다 유효 밴드갭 에너지가 크게 하여 광신호의 흡수를 줄이고 광검출기의 누설전류 (leakage current)를 줄일 수 있다.
또한, 도 2a의 우측에 도시된 바와 같이 InxGa1-xAs 결정층에서 정공의 에너지밴드구조 격리는 x값이 0.53보다 작아질수록 증가하며 전체 정공의 유효 질량이 감소한다. 그러나 InxGa1-xAs 결정층에서 0.53-x 값이 증가할수록 결정층에 가해지는 인장 스트레인의 값이 증가하며 디스로케이션(Dislocation) 등과 같은 결함이 없이 성장할 수 있는 결정층의 두께(critical thickness)가 감소하게 된다.
pin형 또는 쇼트키형 광검출기에서 광흡수층(T)의 두께는 광전변환 효율(quantum efficiency)을 고려하여 통상 약 수백 nm로 설계된다.
그러나 도 2b를 참조하여 설명하면, 도 2b에 나타난 바와 같이 인듐인 기판위에 성장된 InxGa1-xAs의 x 값이 0.53보다 감소될 때 격자부정합도(△a/a: a는 기판의 격자상수, △a는 두 결정의 격자상수차, △a/a ~ 8×(0.53-x)%임)는 증가하게 되며, 이에 따라 디스로케이션 없이 성장할 수 InxGa1-xAs의 임계두께 값도 감소하는 것을 알 수 있다.
광흡수층의 두께를 임계두께 보다 훨씬 두껍게 성장하여 결정층에 결함이 발생할 경우 광검출기의 누설전류(leakage current) 또는 암전류(dark current) 값이 증가하여 잡음특성 또는 민감도(sensitivity) 특성이 감소하게 된다.
따라서, 가능하면 큰 0.53-x 값을 갖는 InxGa1-xAs 결정층의 임계 두께를 증가시킬 수 있는 방법이 필요하다.
일반적으로 스트레인이 된 결정층을 임계 두께보다 더 두껍게 성장할 수 있는 방법이 E.A. Fitzgerald (Nucleation mechanisms and the elimination of misfit dislocations at mismatched interface by reduction in growth area, J. Appl. Phys, vol 65, pp. 2220-2237, 1989)에 의해 보고되었는데, 식각 공정에 의해 만들어지는 작은 면적의 패턴이 형성된 기판을 이용하여 스트레인된 에피층을 성장할 경우 일반적인 방법인 패턴이 되어 있지 않는 기판을 이용하여 성장하는 경우에 비하여 10배 이상의 임계두께를 초과하는 양질의 두꺼운 스트레인된 결정층을 성장시킬 수 있다.
작은 면적의 패턴을 이용하여 임계두께를 초과하는 양질의 두꺼운 스트레인된 결정층을 성장시킬 수 있는 원리는 식각 공정에 의해 만들어진 결정면의 단차 (메사 패턴)가 디스로케이션의 전파(propagation)를 방지하는 역할을 하여 작은 패턴 외부의 넓은 면적에서 발생되는 다수의 디스로케이션들이 패턴 내부에 전파되는 것을 방지시켜 주는 것이다.
상기와 같이 InxGa1-xAs 결정층의 임계 두께를 증가시키기 위해 패턴된 기판을 이용하여 InGaAs 광검출기의 에피택시얼 구조의 제작에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a는 기판의 패턴형성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3b는 광검출기의 에피택시얼 구조의 성장을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3c는 광검출기 외부의 소자제작에 필요없는 에피택시얼 구조의 식각을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3d는 광검출기 에피텍시얼 구조를 성장하는 또 다른 방법으로 선택적 성장법을 이용하는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
먼저, 도 3a, 3b, 3c를 참조하여 패턴된 기판을 이용한 InGaAs 에피택시얼 구조를 생성하기 위한 과정을 설명하면, 먼저, 기판에 패턴형성을 한다. 도 3a는 광검출기 에피택시얼 구조 패턴(7)의 평면 및 단면도로서 기판(25) 위에 형성하며, 좌측은 메사형이고 우측은 트렌치형이다.
상기 도 3a에서 기판의 패턴형성이 되면, 광검출기 에피택시얼 구조를 성장시킨다. 도 3b은 광검출기 에피택시얼 구조(30)를 성장시킨 에피택시얼 웨이퍼의 단면을 나타내는 것으로서 하부 좌측은 메사형이고, 하부 우측은 트렌치형으로 성장시킨다.
상기 도 3b에서 광검출기 에피택시얼구조가 성장되면, 광검출기 제작에 필요 없는 외부의 에피택시얼 구조를 식각시킨다. 도 3c는 식각용 패턴(8)을 사용하여 식각이 완료된 InGaAs 광검출기 에피택시얼 구조가 생성된다.
그리고, 유전체를 사용하여 선택적 성장방식으로 성장시킨 InGaAs 광검출기 에피택시얼 구조에 관하여 도 3d를 참조하여 설명하면, 좌측은 기판(25) 전면에 먼저 유전체를 증착하고 유전체 패턴 마스크(9)를 사용하여 패턴 안쪽의 유전체를 식각한 다음 남아 있는 유전체(35)를 사용하여 InGaAs 광검출기 에피택시얼 구조(30)를 성장시킨 것이고, 우측은 성장시킨 후 유전체(35)를 식각하여 최종적으로 제작된 InGaAs 광검출기 에피택시얼 구조이다.
상기의 방법에 의해 제작된 InGaAs 광검출기 에피택시얼 구조는 정공의 유효 질량을 충분히 감소시킬 수 있을 정도로 큰 0.53-x 값을 갖는 InxGa1-xAs 결정층을 실제적인 광검출기에 사용할 수 있는 정도의 두께로 성장시킬 수 있어 광흡수층 두께의 감소에 의해 발생할 수 있는 광전변환 효율의 감소 없이 광검출기의 속도 특성을 향상시킨다.
상기의 모든 과정을 거쳐서 본 발명이 의도하는 대로 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조가 구현된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정된 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변환 및 변경이 가능한 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 광검출기의 속도특성을 향상시킬 수 있도록 종래의 광검출기용 InGaAs 에피택시얼 구조에 x값이 0.53보다 작은 InxGa1-xAs 결정층을 사용하여 광흡수층에 인장 스트레인을 발생시켜 정공의 진행방향으로의 유효질량을 감소시킨다. 그리고, 패턴된 기판을 사용하거나 선택적 성장법을 이용하여 광흡수층을 임계두께 이상으로 성장시켜 광검출기의 속도특성을 향상시키는효과와, 이로부터 초고속 광통신용 수신기 또는 마이크로웨이브 또는 밀리미터웨이브 광통신용 광전 변환기에 응용될 수 있는 효과가 있다.
Claims (5)
- Semi-insulating 인듐인 기판(25)과, 상기 기판(25)위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 n+형 오믹층(3)과, 상기 n+형 오믹층(3) 위에 성장되는 InxGa1-xAs의 결정층인 i형 광흡수층(2)과, 상기 i형 광흡수층(2) 위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 p+형 오믹층(1)을 포함하여 광신호를 전기신호로 변환하는 기능을 수행하는 PIN형 광검출기에 있어서,상기 i형 광흡수층(2)인 InxGa1-xAs 결정층의 성분 x값을 0.53 미만으로 하는 것을 특징으로 하는 PIN형 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조.
- Semi-insulating 인듐인 기판(25)과, 상기 기판(25)위에 성장되는 In0.53Ga0.47As의 결정층인 n+형 오믹층(6)과, 상기 n+ 오믹층(6) 위에 성장되는 InxGa1-xAs의 결정층인 i형 또는 n-형 광흡수층(5)과, 상기 i형 또는 n-형 광흡수층(5) 위에 성장되는 In0.52Al0.48As의 결정층인 i형 또는 n-형 쇼트키층(4)을 포함하여 광신호를 전기신호로 변환하는 기능을 수행하는 쇼트키형 광검출기에 있어서,상기 i형 또는 n-형 광흡수층(5)인 InxGa1-xAs 결정층의 성분 x값을 0.53 미만으로 하는 것을 특징으로 하는 쇼트키형 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조.
- 청구항 2에 있어서, 상기 i형 또는 n-형 쇼트키층은,Supperlattice 또는 선형 그레이딩 기법을 이용한 InGaAlAs 그레이딩층이나 InGaAsP 그레이딩층을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 쇼트키형 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한항에 있어서, 상기 광검출기용 에피택시얼 구조는,식각용패턴(8)을 사용하여 광검출기 에피택시얼구조(30)를 남기고 나머지 부분을 식각으로 제거하여 제작하는 것을 특징으로 하는 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한항에 있어서, 상기 광검출기용 에피택시얼구조는,유전체 패턴 마스크(9)를 사용하여 광검출기 에피택시얼구조(30)를 성장시킨 후 유전체(35)를 제거하여 제작하는 것을 특징으로 하는 초고속 광검출기용 에피택시얼 구조.
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