KR100399050B1 - Avalanche optical detecting device for high speed optical communications and methood for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단 한번의 확산(diffusion) 공정으로 가드링과 본 접합면을 형성하여 제작이 용이하고 신뢰성이 보장되는 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자 제조방법은, 부유 가드링과 본 접합면의 깊이 차이를 조절하기 위하여 본 접합면 영역의 반도체증폭층을 일부두께 에칭하는 단계; 후속 공정에서 마스크층과 상기 반도체증폭층의 계면을 타고 확산되는 것을 방지하기 위하여 희생층을 형성하는 단계; 및 상기 본 접합면 영역과 상기 부유 가드링 영역이 오픈된 마스크를 형성하고 확산을 실시하여 상기 부유 가드링과 본 접합면을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an avalanche photodetector for high speed communication, in which a guard ring and a main bonding surface are formed in a single diffusion process, which is easy to manufacture and ensures reliability. In order to achieve the above object, the method of manufacturing the ultra-high speed avalanche photodetector for communication according to the present invention comprises the steps of etching a part of the semiconductor amplification layer in the bonding surface region to adjust the depth difference between the floating guard ring and the bonding surface. ; Forming a sacrificial layer to prevent diffusion through the interface between the mask layer and the semiconductor amplification layer in a subsequent process; And forming a mask in which the main bonding surface region and the floating guard ring region are open and diffusing to form the floating guard ring and the main bonding surface.
Description
본 발명은 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 단 한번의 확산(diffusion) 공정으로 가드링과 본 접합면을 형성하여 제작이 용이하고 신뢰성이 보장되는 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an avalanche photodetector for ultra-high speed communication, and in particular, an avalanche light for ultra-high speed communication, which is easy to manufacture and guarantees reliability by forming a guard ring and a main bonding surface in a single diffusion process. A detection element manufacturing method is related.
나날이 증가하고 있는 정보 통신량을 만족시키기 위하여, 대용량, 초고속의 정보통신체계가 요구되고 있다. 따라서 기간망은 수 기가 대역에서 수십 기가 대역을 기본 전송량으로 하여 총 전송 용량이 수백 또는 수 테라에 이를 것으로 예측하고 있다. 이 경우 LAN, MAN(Metropolitan Area Network)등에서도 수신 감도가 높은 광 검출기를 이용하면 광 증폭기를 사용하지 않고 좋은 전송 품질을 유지할 수가 있다. 이때 사용되는 광 수신 소자가 애발란치 광 검출 소자이다. 상기 소자는 구조 및 제작의 신뢰성을 보장 하기가 어려워서 상당히 고가에 상용화 되어 있는 실정이다.In order to satisfy the increasing amount of information communication day by day, a large-capacity, high-speed information communication system is required. Therefore, the main network predicts that the total transmission capacity will reach hundreds or even terabytes based on the basic transmission capacity from several gigabytes to several tens of gigabytes. In this case, using a photodetector with high reception sensitivity even in a LAN or a Metropolitan Area Network (MAN) can maintain a good transmission quality without using an optical amplifier. The light receiving element used at this time is an avalanche photodetecting element. It is difficult to ensure the reliability of the structure and fabrication of the device is a situation that is commercially quite expensive.
종래의 애발란치 광 검출 소자는 평면형으로 제작하는 경우에 곡선 계면의 전기장 집중 현상을 해결하기 위하여 이온 주입(ion implantation)[K. Taguchi, T. Torikai, Y. Sugimoto, K. Makita, and H. Ishihara, J.of Lightwave Tech.,6(11), 1643(1988)] 또는 이중 확산 공정[Y. Liu, S. R. Forrest, et al., Appl. Phys. Lett.,53(14),1311(1988)] 등을 이용한다. 또는 메사형 구조의 경우에 부분 전하층[[3] L. E. Tarof, IEE Electronics Letters,27(1),34(1991)]등의 구조를 사용하여 표면 전기장을 낮추기는 하였으나 신뢰성에 역시 문제가 있어서 상용화 하기 어려운 구조로 여겨지고 있다.Conventional avalanche photodetectors are designed for ion implantation [K. Taguchi, T. Torikai, Y. Sugimoto, K. Makita, and H. Ishihara, J. of Lightwave Tech., 6 (11) , 1643 (1988)] or a dual diffusion process [Y. Liu, SR Forrest, et al., Appl. Phys. Lett., 53 (14), 1311 (1988)]. Or, in the case of mesa type structure, the partial electric charge layer [[3] LE Tarof, IEE Electronics Letters, 27 (1), 34 (1991)] is used to lower the surface electric field, but also has problems in reliability and commercialization. It is considered to be difficult structure.
이와 같은, 애발란치 광 검출기는 핀(pin) 소자에 비하여 그 구조가 복잡하고 제작 방법이 까다로워서 주로 제작방법에 대한 연구, 발명이 주를 이룬다. 그리고 애발란치 현상은 107 V/m 이상의 높은 전기장에서 계속 사용해야 하기 때문에 신뢰성을 높이는 구조 및 중앙에 높은 전기장을 유지시킬 수 있는 구조에 대한 연구도 활발한 편이다. 초고속 동작용 애발란치 광 검출기는 신뢰성 때문에 평면형(planar type)으로 제작이 되어야 한다. 메사형으로 에칭하여 만드는 경우 표면 누설 전류 및 높은 전기장을 견디기 힘들게 작용하기 때문이다. 일반적으로 이런 평면형 구조는 패턴이 된 부분에만 피형 불순물(p-type impurity)을 주입하는 패턴 확산 공정을 이용함으로 인하여 원하지 않는 접합 곡률(junction curvature)에 의한 프리 브레이크다운(pre breakdown)을 경험하게 된다. 이를 억제하기 위한 방법으로 가드링(guarding ring) 구조가 많이 제안되고 있다.Such an avalanche photodetector has a complicated structure and a difficult manufacturing method compared to a pin device, and mainly researches and invents a manufacturing method. And since the Avalanche phenomenon has to be continuously used in high electric fields of 107 V / m or higher, researches on the structure to increase the reliability and the structure to maintain the high electric field in the center are also active. Avalanche photodetectors for ultrafast operation must be manufactured in planar type for reliability. This is because it is difficult to withstand surface leakage currents and high electric fields when etched by mesa type. Typically, this planar structure experiences pre-breakdown due to unwanted junction curvature due to the use of a pattern diffusion process that injects p-type impurity only into the patterned portion. . As a method for suppressing this, many guard ring structures have been proposed.
일반적인 광 검출기는 들어오는 빛을 흡수하여 전류로 전환하는데 빛의 세기에 선형(linear)적으로 반응하게 된다. 즉 광 검출기 내부에서는 들어오는 빛을 그대로 흡수하여 전자, 정공을 형성하고, 각각의 전극으로 이동하게 된다.A typical photo detector absorbs incoming light and converts it into a current that reacts linearly to the light intensity. That is, inside the photodetector, the incoming light is absorbed as it is, electrons and holes are formed, and moved to each electrode.
상기 애발란치 광 검출 소자는 일반적인 광 검출 소자와는 달리 검출기 내부에서 증폭을 하게 된다. 여기서 증폭이란 것은 들어온 빛에 대하여 한 개의 정공, 전자가 형성되면 이들이 높은 전기장의 영향으로 계속 전자 혹은 정공을 형성하게되어 많은 양의 전류가 흐르게 되는 현상을 가지고 있다.The avalanche photodetector is amplified inside the detector, unlike a typical photodetector. Here, amplification has a phenomenon that when a single hole or electron is formed for the incoming light, they continue to form electrons or holes under the influence of a high electric field, and a large amount of current flows.
일반적으로 애발란치 광 검출기는 높은 전기장이 원하는 부분에서만 일어날 수 있도록 하는 보조 구조들을 사용하게 된다. 종래에 사용되어온 방법으로는 중앙의 접합(junction) 부분에서 높은 전기장을 유지하기 위하여 가드링을 이용한다. 일반적으로 가드링은 본 접합면에 붙어 있는 구조로 낮은 도핑을 유지하여 곡선 부분에 전계 집중현상을 완화 시키는 역할을 하게 된다. 그러나 이 방법은 이온 주입(implantation ) 이라는 복잡하고 사용이 쉽지 않은 반도체 공정을 사용해야 하는 단점이 있다. 이와는 다른 방법중의 하나로 부유 가드링(floating guard ring)을 이용하는 구조가 제안되어 있다. 기존의 부유 가드링은 두번 이상의 확산(diffusion) 공정을 이용하여 제작하고 그 면적이 넓어져서 2.5Gbps 가 넘어가는 속도 영역은 사용할 수 없는 구조이다.In general, avalanche photodetectors use ancillary structures that allow a high electric field to occur only in the desired region. Conventionally used methods use a guard ring to maintain a high electric field at the center junction. In general, the guard ring is attached to the main joint surface and maintains low doping to alleviate electric field concentration on the curved portion. However, this method has the disadvantage of using a complicated and difficult-to-use semiconductor process called ion implantation. In another method, a structure using a floating guard ring has been proposed. Conventional floating guard rings are manufactured using two or more diffusion processes, and their area is expanded so that the speed range beyond 2.5Gbps cannot be used.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 단 한번의 확산(diffusion) 공정으로 부유 가드링과 본 접합면을 형성하여 제작이 용이하고 신뢰성이 보장되는 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, by forming a floating guard ring and the main joint surface in a single diffusion (diffusion) process is easy to manufacture and ensure the reliability of high-speed communication Avalanche It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a tooth light detection device.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자의 구성도.1 is a block diagram of an avalanche photodetector for ultrafast communication according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에서 요부의 상세 구성도.Figure 2 is a detailed configuration diagram of the main portion in FIG.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
11 : 제1 전극층(본 접합면) 12 : 증폭층11: first electrode layer (main junction surface) 12: amplification layer
13 : 전기장 조절층 14 : 4계 밴드갭 조절층13: electric field control layer 14: 4 band gap control layer
15 : 3계 광 흡수층 16 : 제 2 전극성 기판15: 3-system light absorbing layer 16: second electrode substrate
17 : 부유 가드링 18 : 금속 전극17: floating guard ring 18: metal electrode
19 : 유전체 박막 20 : 금속 전극층19 dielectric thin film 20 metal electrode layer
21 : 무반사 박막층 31 : 에칭부21: antireflective thin film layer 31: etching portion
32 : 확산 공정용 마스크층 33 : 희생층32: mask layer for diffusion process 33: sacrificial layer
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자의 제조 방법은 부유 가드링과 본 접합면의 깊이 차이를 조절하기 위하여 본 접합면 영역의 반도체증폭층을 일부두께 에칭하는 단계; 후속 공정에서 마스크층과 상기 반도체증폭층의 계면을 타고 확산되는 것을 방지하기 위하여 희생층을 형성하는 단계; 및 상기 본 접합면 영역과 상기 부유 가드링 영역이 오픈된 마스크를 형성하고 확산을 실시하여 상기 부유 가드링과 본 접합면을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an ultra-high speed avalanche photodetector for communication, comprising: etching a portion of a semiconductor amplification layer in a bonding surface region to adjust a depth difference between a floating guard ring and the bonding surface; Forming a sacrificial layer to prevent diffusion through the interface between the mask layer and the semiconductor amplification layer in a subsequent process; And forming a mask in which the main bonding surface region and the floating guard ring region are open and diffusing to form the floating guard ring and the main bonding surface.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자의 구성도를 도시한 것이다.1 is a block diagram of an avalanche photodetector for ultrafast communication according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자는 제1 전극층(본 접합면)(11)과, 증폭층(12)와, 전기장 조절층(13)와, 4 계(quarternary) 밴드갭 조절층 (Grading layer)(14)와, 3계(ternary) 광 흡수층(15)와, 제 2 전극성 기판(16)과, 상기 제 1 전극층(11)과 같은 극성을 갖는 부유 가드링( Floating Guard Ring)(17)과, 상기 제 1 전극층(11)과 오믹 접합 특성을 갖는 금속 전극(18), 유전체 박막(Dielectric Passivation)(19)과, 제 2 전극층과 오믹 접합 특성을 갖는 금속 전극층(20), 유전체를 이용한 무반사 박막층(dielectric Anti Reflection Coating layer)(21)으로 구성된다.As shown in FIG. 1, the avalanche photodetector for ultrafast communication according to a preferred embodiment of the present invention includes a first electrode layer (main junction surface) 11, an amplification layer 12, and an electric field control layer 13. ), A fourth band gap adjusting layer 14, a third light absorbing layer 15, a second electrode substrate 16, and the first electrode layer 11. Floating Guard Ring 17 having the same polarity as that of the first electrode, the metal electrode 18 having the ohmic bonding property with the first electrode layer 11, the dielectric passivation 19, and the second The electrode layer is composed of a metal electrode layer 20 having ohmic bonding characteristics, and a dielectric anti reflection coating layer 21 using a dielectric.
이와 같이, 본 발명은 본 접합면(11)과 가드링 부분(17)으로 구성이 된다. 평면형 애발란치 광 검출기를 제작하는데 있어서 가장 문제가 되는 점은 확산 공정에 의하여 pn--접합을 형성하게 된다. 이때 곡선 부분의 전계가 실제로 중앙부분보다 더 높은 전기장을 갖게 되는 현상을 최대한 완화시키기 위하여, 될 수 있으면 깊게 확산을 하여 접합 곡률(junction curvature)를 크게 하여 준다.Thus, this invention consists of this bonding surface 11 and the guard ring part 17. As shown in FIG. Point, the most difficult problems in making a planar Ke avalanche photodetector pn by the diffusion process - to form a junction. At this time, in order to alleviate the phenomenon that the electric field of the curved portion actually has a higher electric field than the center portion, the diffusion curvature is increased by increasing the depth as much as possible.
제1 전극층(11)에 의하면 제1 전극층(11)의 곡선 부분에서는 전기장 집중 현상이 발생하게 되고, 이를 방지하기 위하여 부유 가드링(17)을 형성하게 된다.According to the first electrode layer 11, an electric field concentration phenomenon occurs at the curved portion of the first electrode layer 11, and the floating guard ring 17 is formed to prevent this.
확산(diffusion) 깊이는 같은 확산 시간에도 불구하고 확산공정용 마스크층(32)의 개방 크기(opening size)(d)에 의하여 많은 차이가 나게 된다. 이 결과를 이용하면 도 1에 도시된 구조를 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고속 통신용 애발란치 광 검출 소자를 단 한번의 확산 공정으로 제작할 수가 있다.Diffusion depth is greatly different by the opening size d of the mask layer 32 for the diffusion process despite the same diffusion time. Using this result, the ultra-high speed avalanche photodetector according to the preferred embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured in one diffusion process.
도 2는 도 1에서의 요부의 상세 구성도를 도시한 것이다.FIG. 2 shows a detailed configuration diagram of main parts in FIG. 1.
도 2는 확산 공정을 수행하기 위해서, 부유 가드링(17)과 제1 전극층 즉, 본접합면(11)의 깊이 차이를 조절하는 에칭부(31)와, 유전 물질로 형성된 확산 공정용 마스크층(32)과, 확산시 확산 공정용 마스크층(32)과 증폭층(12)의 계면을 타고 확산이 되는 것을 방지하기 위하여 삽입되는 희생층(33)으로 구성된다.FIG. 2 illustrates an etching part 31 for controlling a depth difference between the floating guard ring 17 and the first electrode layer, that is, the main junction surface 11, and a diffusion process mask layer formed of a dielectric material to perform a diffusion process. And a sacrificial layer 33 inserted to prevent diffusion through the interface between the diffusion mask layer 32 and the amplification layer 12 during diffusion.
이와 같이 구성된 본 발명의 요부의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the manufacturing method of the main portion of the present invention configured as described above in detail.
부유 가드링(17)과 제1 전극층 즉, 본 접합면(11)의 깊이 차이를 조절하는 에칭부(31)를 형성한 후, 유전 물질로 형성된 확산 공정용 마스크층(32)을 형성한다. 확산시 확산 공정용 마스크층(32)과 증폭층(12)의 계면을 타고 확산이 되는 것을 방지하기 위하여 삽입되는 희생층(33)을 형성한다.After forming the etching portion 31 for adjusting the depth difference between the floating guard ring 17 and the first electrode layer, that is, the main joint surface 11, a mask layer 32 for diffusion process formed of a dielectric material is formed. During diffusion, a sacrificial layer 33 is inserted to prevent diffusion through the interface between the diffusion mask layer 32 and the amplification layer 12.
상기 희생층(33)은 증폭층(12)과는 에칭 선택성을 갖는 반도체 물질을 선택하여 확산 공정이 끝난 후에는 에칭되어 제거된다.The sacrificial layer 33 is etched and removed after the diffusion process is completed by selecting a semiconductor material having an etching selectivity with the amplification layer 12.
이렇듯, 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.As such, although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above-described preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이와 같이 본 발명은 단 한번의 확산 공정으로 가드링과 본 접합면(junction)을 형성할 수 있고, 확산시 가드링과 본 접합면(junction)에서 일어날 수 있는 좋지 않은 효과를 제거하기 위하여 희생층을 사용하여 그 가능성을없앨 수 있는 효과가 있다.As such, the present invention can form the guard ring and the main junction in a single diffusion process, and in order to eliminate the adverse effects that may occur at the guard ring and the main junction during diffusion, Using this has the effect of eliminating that possibility.
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