KR101554290B1 - 애벌란치 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 애벌란치 포토다이오드에 관한 것으로서, 기판과, 기판 위에 형성된 n형 옴접촉층과, n형 옴접촉층 위에 메사구조를 갖게 InGaAs로 형성된 광흡수층과, 광흡수층 위에 InGaAsP로 형성된 그레이딩층과, 그레이딩층 위에 InP로 형성된 n형 전기장 조절층과, n형 전기장 조절층 위에 제1도핑농도를 갖게 InP로 형성된 p형 가드링층과, p형 가드링층의 상면 가장자리 및 측면으로부터 이격되는 위치에서 n형 전기장 조절층과 이격되게 p형 가드링층 내에 국소적으로 형성되며 제1도핑 농도보다 높은 제2도핑 농도를 갖게 형성된 p형 윈도우층과, p형 윈도우층 상의 일부에 전기적 접속을 위해 형성된 p형 옴접촉층과, n형 옴접촉층과 접속되게 형성된 n형 전극과, p형 옴접촉층과 접속되게 형성된 p형 전극 및 n형 옴접촉층으로부터 p형 윈도우층까지 표면을 덮도록 형성된 표면 보호층을 구비하고, p형 윈도우층은 n형 전기장 조절층과의 이격거리가 중앙부분이 주변부분보다 가깝게 형성되어 있다. 이러한 애벌란치 포토다이오드에 의하면, 메사구조를 갖기 때문에 p형과 n형의 접합영역에서의 정전용량과 p형 전극에 의한 기생정전용량을 줄일 수 있어 초고속 광통신에 적용할 수 있고, p형 윈도우층의 중앙부분이 주변부분보다 전기장조절층에 가깝게 형성되어 증폭효율도 향상시키는 장점을 제공한다.
Description
본 발명은 애벌란치 포토다이오드에 관한 것으로서, 상세하게는 초고속 광통신용으로 이용되는 애벌란치 포토다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 광 통신에서 광수신측은 광섬유 등을 통해 전송된 광신호를 수광소자를 이용해 전기적 신호로 변환한다.
광 통신에서 수신측의 수광소자로서 포토다이오드(Photo diode)가 사용되고 있으며, 그 중에 애벌란치 포토 다이오드(Avalanche Photodiode)가 가장 널리 사용되고 있다.
애벌란치 포토 다이오드는 높은 전기장이 가해진 영역에 캐리어가 주입되어 애벌란치 효과에 의한 증폭을 얻는 소자이다. 이러한 애벌란치 포토 다이오드로서 대표적인 것이 평면형과 메사(Mesa)형 애벌란치 포토 다이오드가 있다.
평면형 애벌란치 포토 다이오드는 국내 등록특허 제0175440호 등 다양하게 게시되어 있다.
이러한 평면형 애벌란치 포토 다이오드 구조는 신뢰성이 매우 좋고 특성도 우수하나 구조적으로 메사구조에 비해 정전용량을 줄이기가 어려운 단점이 있다.
평면형 애벌란치 포토 다이오드의 경우 기생정전용량을 줄이기 위해 플립칩 본딩(Flip-Chop Bonding) 기술을 적용하여 세라믹 또는 유전체 기판상에 애벌란치 포토 다이오드칩을 탑-사이드 다운(top-side down) 또는 바텀-사이드 업(bottom-side up) 방식으로 부착하여 제작하여 사용하고 있으나, 이 경우 제작과정이 복잡해지고 이로 인한 가격 상승 요인이 발생되는 단점이 있다.
한편, 메사구조의 경우 구조적으로 정전용량이 평면형보다 적어지지만 단순히 각 층들이 순차적으로 적층한 후 식각에 의해 메사구조로 형성하는 경우 메사 에칭 계면에서의 전기장의 세기가 광신호가 입력되는 중앙 영역보다 높아 신호의 증폭효율이 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 광신호가 입력되는 중앙영역의 도핑 농도를 주변영역보다 높이기 위해 이온 주입방식으로 주입하는 경우 해당 층의 결정성이 이온 주입과정에서 파괴될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 메사구조를 갖으면서 광신호가 입력되는 영역이 주변영역보다 높은 전기장이 형성될 수 있으면서도 결정성 파괴를 방지할 수 있고, 제작성이 좋은 애벌란치 포토다이오드를 제공하는데 그목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드는 기판과; 상기 기판 위에 형성된 n형 옴접촉층과; 상기 n형 옴접촉층 위에 메사구조를 갖게 InGaAs로 형성된 광흡수층과; 상기 광흡수층 위에 InGaAsP로 형성된 그레이딩층과; 상기 그레이딩층 위에 InP로 형성된 n형 전기장 조절층과; 상기 n형 전기장 조절층 위에 제1도핑농도를 갖게 InP로 형성된 p형 가드링층과; 상기 p형 가드링층의 상면 가장자리 및 측면으로부터 이격되는 위치에서 상기 n형 전기장 조절층과 이격되게 상기 p형 가드링층 내에 국소적으로 형성되며 상기 제1도핑 농도보다 높은 제2도핑 농도를 갖게 형성된 p형 윈도우층과; 상기 p형 윈도우층 상의 일부에 전기적 접속을 위해 형성된 p형 옴접촉층과; 상기 n형 옴접촉층과 접속되게 형성된 n형 전극과; 상기 p형 옴접촉층과 접속되게 형성된 p형 전극과; 상기 n형 옴접촉층으로부터 상기 p형 윈도우층까지 표면을 덮도록 형성된 표면 보호층;을 구비하고, 상기 p형 윈도우층은 상기 n형 전기장 조절층과의 이격거리가 중앙부분이 주변부분보다 가깝게 형성되어 있다.
상기 p형 가드링층의 제1도핑농도는 1×1016 /㎤ 내지 8×1016 /㎤ 이고, 상기 p형 윈도우층의 제2도핑농도는 2×1017 /㎤ 이상이 되게 형성되어 있다.
상기 n형 전기장 조절층의 두께는 0.05㎛ 내지 0.5㎛ 이고, 상기 n형 전기장 조절층의 도핑 농도는 5×1016 /㎤ 내지 5×1017 /㎤ 이 되게 형성된다.
또한, 상기 p형 윈도우층은 상기 p형 가드링층에 도핑원소를 확산시켜 형성된다.
본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드에 의하면, 메사구조를 갖기 때문에 p형과 n형의 접합영역에서의 정전용량과 p형 전극에 의한 기생정전용량을 줄일 수 있어 초고속 광통신에 적용할 수 있고, p형 윈도우층의 중앙부분이 주변부분보다 전기장조절층에 가깝게 형성되어 증폭효율도 향상시키는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드를 나타내 보인 단면도이고,
도 2 내지 도 13은 도 1의 애벌란치 포토다이오드의 제조과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 13은 도 1의 애벌란치 포토다이오드의 제조과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 애벌란치 포토다이오드 및 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 애벌란치 포토다이오드(100)는 기판(110) 위에 n형 옴접촉층(120), 광흡수층(130), 그레이딩층(140), n형 전기장 조절층(150), p형 가드링층(160) 및 p형 옴접촉층(180) 및 p형전극(192)이 수직상으로 순차적으로 적층되어 있고, p형 가드링층(160) 내에 p형 윈도우층(170)이 형성된 구조로 되어 있다.
참고로 도 1에서 n형 전기장 조절층(150)과 p형 윈도우층(170)의 이격공간 사이에 표기된 마크들은 활성영역을 나타내기 위한 것으로 별도의 층을 의미하지는 않는다.
또한, 본 발명의 에벌란치 포토다이오드(100)는 n형 옴접촉층(120) 위에 광흡수층(130)으로부터 p형 가드링층(160) 까지 메사구조로 돌출되게 형성되어 있다.
이러한 에벌란치 포토다이오드(100)에서 기판(110)은 반절연 반도체(semi-insulationg)로 된 InP 기판을 적용한다.
n형 옴접촉층(120)은 n형 InP로 형성되며 성장을 위한 버퍼 기능과 n형 전극(191)과 전기적 접속 기능을 한다.
광흡수층(130)은 n형 옴접촉층(120) 위에 메사 구조를 갖되 도핑되지 않은 InGaAs로 형성되어 있다.
그레이딩층(140)은 광흡수층(130) 위에 형성되며, 광흡수층(130)과 전기장 조절층(150) 사이의 밴드갭 차이를 메우기 위해 여러가지 밴드갭을 갖는 InGaAsP를 순차적으로 다층으로 적층하여 형성되어 있다.
n형 전기장 조절층(150)은 그레이딩층(140) 위에 InP에 n형 도펀트 예를 들면, Si가 도핑되어 형성된다.
n형 전기장 조절층(150)의 수직방향에서의 두께는 0.05㎛ 내지 0.5㎛가 되게 하고, 불순물 도핑 농도는 5×1016 /㎤ 내지 5×1017 /㎤ 범위가 되게 형성되어 있다.
p형 가드링층(160)은 n형 전기장 조절층(150) 위에 불순물이 제1도핑농도를 갖게 p형 InP로 형성된다.
여기서, p형 가드링층(160)의 불순물로서는 Zn, Be, Cd, C 등이 적용될 수 있고, 제1도핑농도는 1×1016 /㎤ 내지 8×1016 /㎤ 범위가 되게 형성한다.
p형 윈도우층(170)은 p형 가드링층(160)의 상면 가장자리 및 측면으로 이격되는 위치에서 n형 전기장 조절층(140)과 이격되게 p형 가드링층(160) 내에 국소적으로 형성되어 있다.
p형 윈도우층(170)은 p형 가드링층(160)의 제1도핑 농도보다 높은 제2도핑농도를 갖게 형성되어 있다.
p형 윈도우층(170)의 제2도핑농도는 2×1017 /㎤ 이상으로 형성하면 되고, 바람직하게는 2×1017 /㎤ 내지 1×1019 /㎤ 정도가 되게 한다.
p형 윈도우층(170)은 중앙부분(170a)이 중앙부분(170a)으로부터 가장자리로 이어지는 주변영역(170b)보다 전기장 조절층(150)에 대해 이격거리가 가깝게 형성되어 있다.
여기서, 중앙부분(170a)은 n형 전기장 조절층(150)과 나란하게 이격된 부분을 말하고, 주변부분(170b)은 중앙부분(170a)을 중심으로 양측으로 벗어나면서 p형 가드링층(160) 상면까지 연장된 부분을 말한다.
p형 윈도우층(170)은 p형 가드링층(170) 적층 이후 도핑원소를 확산시켜 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 p형 윈도우층(170)은 p형 가드링층(160)보다 도핑농도가 높으면서 중앙부분(170a)이 중앙부분(170a)을 벗어난 주변부분(170b)보다 전기장조절층(150)에 이격거리가 가깝게 형성되어 있어 전기장의 세기가 중앙부분(170a)이 주변부분(170b)보다 더 높아 증폭효율을 향상시킬 수 있다.
p형 옴접촉층(180)은 p형 윈도우층(170) 상면 일부에 전기적 접속을 위해 링 형태로 형성되어 있다.
p형 옴접촉층(180)은 p형 InGaAs로 형성되어 있다.
n형 전극(191)은 n형 옴접촉층(120)과 접속되게 형성되어 있다.
p형 전극(192)은 p형 옴접촉층(180)과 접속되게 p형 옴접촉층(180) 위에 형성되어 기판(115) 위의 표면보호층(195) 위까지 연장되게 형성되어 있다.
표면 보호층(195)은 무반사 코팅층의 역할을 하면서 소자를 보호할 수 있도록 n형 옴접촉층(120)으로부터 p형 윈도우층(170)까지 노출된 표면을 덮도록 형성되어 있다.
표면 보호층(195)은 질화규소(SiNx)로 형성되어 있다.
이하에서는 이러한 포토 다이오드(100)의 제조과정의 바람직한 실시예를 도 2 내지 도 13을 함께 참조하면서 설명한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 기판(110) 위에 n형 옴접촉층(120), InGaAs로 형성된 광흡수층(130)과, 한 층 이상의 InGaAsP로 형성된 그레이딩층(140)과, InP로 형성된 n형 전기장 조절층(150)과, 제1도핑농도를 갖게 InP로 형성된 p형 가드링층(160), p형 옴접촉층(180) 및 제1마스크층(210)을 순차적으로 적층하고, 제1마스크층(210)은 식각에 의해 중앙부분(212)의 두께가 중앙부분(212)을 벗어난 주변부분(214) 보다 두께가 얇게 형성한다.
여기서, 제1마스크층(210)은 InP로 형성하고, 중앙부분(212)은 원형으로 형성한다.
다음은 도 3에 도시된 바와 같이 제1마스크층(210)의 중앙부분(212) 및 중앙부분(212)으로부터 설정된 제1이격거리까지 노출되는 제1노출영역(224)을 갖게 제1마스크층(210) 위에 제2마스크층(220)을 형성한다.
여기서, 제2마스크층(220)은 질화규소(SiNx) 또는 이산화규소(SiO2)로 형성한다.
다음은 제2마스크층(220) 위에 리프트 오프용 희생층(230)을 형성한다.
여기서 희생층(230)은 포토레지스터가 적용될 수 있다.
이후, 도 4에 도시된 바와 같이 p형 가드링층(160) 내에 형성할 P형 윈도우층 형성용 제1소재(250)를 상면 전체에 증착하고, 희생층(230)을 리프트 오프 방식으로 제거하여 제1노출영역(224)에만 제1소재(250)가 잔류되게 한 다음, 도 5에 도시된 바와 같이 후술되는 열처리과정에서 제1소재(250)의 휘발을 억제하기 위해 제1소재(250)를 덮는 휘발억제층(260)을 형성한다.
휘발억제층(260)은 SiO2로 형성하면 된다.
이후, 제1소재가 제1마스크층(210)을 통해 하부의 p형 가드링(160) 영역 내에 n형 전기장 조절층(150)과는 이격되게 확산될 수 있게 열처리를 수행하여 도 6에 도시된 바와 같이 p형 윈도우층(170)을 형성한다.
여기서, 제1소재는 Zn3P2 또는 Zn이 적용되며, 열처리는 500 내지 550℃에서 1 내지 20분 동안 수행한다.
이러한 열처리에 의한 확산과정에서 계단형태로 중앙부분(212)이 얇게 형성된 제1마스크층(212)에 의해 대응되는 패턴으로 p형 윈도우층(170)의 중앙부분(170a)이 주변부분(170b)보다 n형 전기장 조절층(150)에 대해 이격거리가 가깝게 단차진 영역을 갖게 형성된다.
이후, 제2마스크층(220)에 의해 보호되지 않은 제1마스크층(210)을 도 7에 도시된 바와 같이 식각에 의해 제거하고, 도 8에 도시된 바와 같이 제2마스크층(220)도 식각에 의해 제거한 후, 노출된 p형 옴컨택트층(180) 위에 링형태의 p형 전극(192)의 일부를 형성한다.
다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이 링형태의 p형 전극(192) 형성영역을 벗어난 영역의 제1마스크층(210)과 p형 옴접촉층(180)을 식각에 의해 제거한다.
이후, 도 10에 도시된 바와 같이 p형 가드링층(160)으로부터 n형 옴접촉층(120)의 상면 일부까지 메사구조를 갖도록 식각하고, 도 11에 도시된 바와같이 p형전극(192)의 나머지를 형성할 영역에 대응되는 부분의 n형 옴접촉층(120)을 완전히 제거한다.
여기서, p형전극(192)의 나머지를 형성할 영역에 대응되는 부분을 식각에 의해 제거시 InP기판(110)의 일부까지 제거되어도 된다.
이후, 도 12에 도시된 바와 같이 n형 옴접촉층(120)으로부터 p형 윈도우층(170)까지 노출된 전체 표면을 덮도록 질화실리콘(SiNx) 소재로 표면 보호층(195)을 형성한 후, 도 13에 도시된 바와 같이 n형 전극(191)을 형성할 영역과, p형전극(192) 위에 적층된 표면보호층(195)을 식각에 의해 제거한 후, 도 1에 도시된 바와 같이 노출된 n형 옴접촉층(120)을 통해 n형 전극(191)과, p형전극(192) 위에 나머지 p형전극(192) 형성영역을 따라 p형 전극(192)을 도전소재로 동시에 형성한다.
이러한 제조방법에 의하면, p형 가드링층(160) 증착 이후 2차로 계단형 마스크 형상을 통해 불순물을 확산시켜 p형 윈도우층(170)을 형성할 수 있어 이온 주입방식에 비해 p형 윈도우층(170) 형성과정에서 p형 가드링층(160)의 결정성이 손상되지 않으며, 중앙부분(170a)의 전기장이 높게 형성할 수 있어 증폭효율이 향상된다.
110: 기판 120: n형 옴접촉층
130: 광흡수층 140: 그레이딩층
150: n형 전기장 조절층 160: p형 가드링층
170: p형 윈도우층 180: p형 옴접촉층
191: n형 전극 192: p형전극
130: 광흡수층 140: 그레이딩층
150: n형 전기장 조절층 160: p형 가드링층
170: p형 윈도우층 180: p형 옴접촉층
191: n형 전극 192: p형전극
Claims (5)
- 기판과;
상기 기판 위에 형성된 n형 옴접촉층과;
상기 n형 옴접촉층 위에 메사구조를 갖게 InGaAs로 형성된 광흡수층과;
상기 광흡수층 위에 InGaAsP로 형성된 그레이딩층과;
상기 그레이딩층 위에 InP로 형성된 n형 전기장 조절층과;
상기 n형 전기장 조절층 위에 제1도핑농도를 갖게 InP로 형성된 p형 가드링층과;
상기 p형 가드링층의 상면 가장자리 및 측면으로부터 이격되는 위치에서 상기 n형 전기장 조절층과 이격되게 상기 p형 가드링층 내에 국소적으로 형성되며 상기 제1도핑 농도보다 높은 제2도핑 농도를 갖게 형성된 p형 윈도우층과;
상기 p형 윈도우층 상의 일부에 전기적 접속을 위해 형성된 p형 옴접촉층과;
상기 n형 옴접촉층과 접속되게 형성된 n형 전극과;
상기 p형 옴접촉층과 접속되게 형성된 p형 전극과;
상기 n형 옴접촉층으로부터 상기 p형 윈도우층까지 표면을 덮도록 형성된 표면 보호층;을 구비하고,
상기 p형 윈도우층은 상기 n형 전기장 조절층과의 이격거리가 중앙부분이 주변부분보다 가깝게 형성된 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드. - 제1항에 있어서, 상기 p형 가드링층의 제1도핑농도는 1×1016 /㎤ 내지 8×1016 /㎤ 인 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
- 제2항에 있어서, 상기 p형 윈도우층의 제2도핑농도는 2×1017 /㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
- 제3항에 있어서, 상기 n형 전기장 조절층의 두께는 0.05㎛ 내지 0.5㎛ 이고, 상기 n형 전기장 조절층의 도핑 농도는 5×1016 /㎤ 내지 5×1017 /㎤ 인 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
- 제4항에 있어서, 상기 p형 윈도우층은 상기 p형 가드링층에 도핑원소를 확산시켜 형성된 것을 특징으로 하는 애벌란치 포토다이오드.
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