KR100987057B1 - Silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency and gamma ray detector comprising the same - Google Patents
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Abstract
광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관 및 이를 포함하는 감마선 검출기가 개시된다.Disclosed are a silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency and a gamma ray detector comprising the same.
본 발명에 따른 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관은, p+ 전도성 타입의 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 상부에 형성되며, p- 전도성 타입의 에피택시 층, 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 p 영역, 상기 전도성 타입의 p 영역의 상부에 형성되며, 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 n+ 영역, 및 상기 에피택시 층과 상기 전도성 타입의 n+영역의 상부에 형성된 절연층을 포함하는 단위 마이크로 셀; 상기 n+ 영역의 상부에 형성되는 상기 단위 마이크로 셀의 메탈 라인(metal line); 및 상기 메탈 라인과 컨택에 의해 연결되며 상기 절연층의 상부에 형성된 퀀칭(quenching)용 폴리실리콘 저항을 포함하며, 상기 퀀칭용 폴리실리콘 저항은 다층 구조를 가지며, 상기 실리콘 광전자 증배관의 깊이 방향으로 상호 중첩되도록 복수 개 형성되는 것을 특징으로 한다.Silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency according to the present invention is a semiconductor substrate of the p + conductivity type, formed on top of the semiconductor substrate, a p-conductivity type epitaxy layer, of the conductive type doped to the epitaxy layer a unit including a p region, an n + region of a conductivity type formed on top of the p region of the conductivity type, and a doped epitaxial layer, and an insulating layer formed on the epitaxy layer and an n + region of the conductivity type Micro cells; A metal line of the unit micro cell formed on the n + region; And a quenching polysilicon resistor connected to the metal line by a contact and formed on an upper portion of the insulating layer, wherein the quenching polysilicon resistor has a multilayer structure and is formed in a depth direction of the silicon photomultiplier tube. It is characterized in that a plurality formed to overlap each other.
본 발명에 의하면, 다층의 폴리실리콘 저항 및 마이크로 렌즈를 형성함으로써 섬광체에서 발생하는 가시광이 데드 영역(dead region)으로 입사하는 것을 최소화여 필 팩터를 향상시킬 수 있고, 나아가 실리콘 광전자 증배관의 광검출효율향상에 따른 마이크로 셀의 크기를 줄일수 있는 효과가 있다According to the present invention, by forming a multi-layered polysilicon resistor and a micro lens, the visible light generated from the scintillator can be minimized to enter the dead region, thereby improving the fill factor, and further, photodetection of the silicon photomultiplier tube. There is an effect that can reduce the size of the micro cell according to the efficiency improvement
Description
본 발명은 광센서에 관한 것으로서, 특히 감마선 검출기 중 섬광체의 가시광을 검출하는 광센서인 실리콘 광전자 증배관의 필 팩터(fill factor)를 향상시켜 광검출 효율을 향상시킬 수 있는 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관 및 이를 포함하는 감마선 검출기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
광센서라 함은 일반적으로 빛을 감지하는 센서로 일컬어지고 있다. 광센서는 빛의 양, 물체의 모양이나, 상태, 움직임 등을 감지하는데, 종래는 자연의 빛을 감지하는 것으로 그쳤으나, 현재는 인공적으로 빛을 발하여, 그 빛이 물체에 부딪혀 반사되어 오는 것을 받아들임으로써 그 물체의 움직임이나 속도 등을 탐지하는 구조가 많아지고 있다.Optical sensors are generally referred to as light sensors. The optical sensor detects the amount of light, the shape, state, and movement of an object. In the past, the optical sensor merely detected natural light, but now emits light artificially and accepts that the light hits an object and is reflected. As a result, structures for detecting the movement and speed of the object are increasing.
종래의 감마선 검출기에서 주로 사용되는 광센서는 진공방식의 광전자 증배관을 사용하였고, 반도체 기술이 발달함에 따라 PIN 포토다이오드가 사용되게 되었다.The optical sensor mainly used in the conventional gamma ray detector uses a vacuum photoelectric multiplier tube, and PIN photodiode has been used as semiconductor technology has developed.
그리고, 현재 아발란치(avalanche) 이득이 있어 높은 감도를 가지는 아발란치 포토다이오드가 개발되어 대체되고 있으며, 현재는 아발란치 포토다이오드를 개선할 아발란치 포토다이오드와 유사한 구조의 실리콘 광전자 증배관이 개발되고 있다.In addition, avalanche photodiodes with high sensitivity due to avalanche gains have been developed and replaced, and silicon photoelectron deposition with a structure similar to avalanche photodiodes that will improve avalanche photodiodes. Piping is being developed.
아발란치 포토다이오드는 절연파괴전압(breakdown voltage) 이하에서 동작하는 반면, 실리콘 광전자 증배관은 절연파괴전압 이상에서 동작하며, 광신호가 입사할 경우 퀀칭(quenching)에 의하여 아발란치가 방전(discharge)되고, 재충전(recharge)됨으로써 전기 신호를 생성하게 된다.The avalanche photodiode operates below the breakdown voltage, while the silicon photomultiplier operates above the breakdown voltage, and the avalanche is discharged by quenching when an optical signal is incident. The battery is then recharged to generate an electrical signal.
도 1은 종래의 복수 개의 마이크로 셀을 가지고 있는 실리콘 광전자 증배관의 한 픽셀 단면도를 도시한 것이다.1 illustrates a one-pixel cross-sectional view of a silicon photomultiplier tube having a plurality of conventional microcells.
도 1을 참조하면, 실리콘 광전자 증배관의 한 픽셀은 복수 개의 마이크로 셀로 이루어짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 1, it can be seen that one pixel of the silicon optoelectronic multiplier consists of a plurality of micro cells.
실리콘 광전자 증배관의 한 픽셀(100)은 사용 목적에 따라 수십에서 수천 개 이상의 아발란치 포토다이오드(이하, '마이크로 셀'이라고 함)를 가지고 있으며, 각각의 마이크로 셀(120)이 온 오프 동작을 하고, 이 마이크로 셀(120)이 병렬로 공통 전극(130)으로 연결되어 입사된 광신호의 크기에 따라 선형, 비선형 신호를 생성한다. One
한편, 각각의 마이크로 셀은 메탈 라인(110)을 따라 퀀칭용 저항(140)이 공통 전극(130)으로 연결되어 전기 신호를 리드아웃(readout)한다.Meanwhile, in each micro cell, a
일반적으로 P+ 전도성 타입의 반도체 기판의 상부에 p- 에피택시 층이 형성 되고, 그 상부에 p 영역과 n+ 영역이 임플란트 공정에 의해 형성되고, 폴리 실리콘 증착을 통하여 퀀칭용 저항이 형성된다.Generally, a p− epitaxy layer is formed on a P + conductive semiconductor substrate, a p region and an n + region are formed by an implant process, and a resistance for quenching is formed through polysilicon deposition.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 마이크로 셀의 크기에 따른 퀀칭 저항이 차지하는 면적을 도시한 것이다.2a to 2c show the area occupied by the quenching resistance according to the size of the conventional microcell.
우선, 도 2a를 참조하면, 도 1에서 전술한 바와 같이 광전자 증배관의 하나의 픽셀에 있어서 마이크로 셀(220)과 이를 둘러싼 메탈 라인(210), 메탈 라인과 연결된 퀀칭용 저항(240)이 구성되어 있음을 알 수 있고, 도 2b에서 상기 도 2a를 'B'선을 따라 절단한 단면도를 도시하고 있다.First, referring to FIG. 2A, as described above with reference to FIG. 1, the
도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이 각 마이크로 셀(220)은 퀀칭용 저항(240), 메탈 라인(210) 및 n+/p/p-/p+의 순차적인 도핑구조를 가진다.As shown in FIG. 2B, each
여기서, 도핑 구조는 본 발명이 속하는 분야에서 적용되는 일반적인 방법에 의해 생성될 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Here, the doping structure may be generated by a general method applied in the field to which the present invention belongs, so a detailed description thereof will be omitted.
도 2c는 각 마이크로 셀에 대하여 퀀칭용 저항(240)을 형성할 경우, 실리콘 광전자 증배관의 각 마이크로 셀의 퀀칭용 저항의 크기는 일반적으로 100kΩ 내지 1MΩ이어야 하는데, 반도체 공정에서 사용하기 위한 폴리실리콘의 최소 선폭은 일반적으로 2um 이상이기 때문에, 큰 면저항을 가지는 폴리실리콘 저항을 사용하여야 하거나, 면저항이 작을 경우 도 2c와 같이 면저항의 길이를 길게 하여야 한다.FIG. 2C illustrates that when the
그러나, 네 변을 모두 둘러싸도 필요한 저항을 얻기가 어려운 경우에는 필요한 성능을 얻을 수 없다.However, even if all four sides are surrounded, it is difficult to obtain the required performance when it is difficult to obtain the necessary resistance.
한편, 실리콘 광전자 증배관의 성능 중 하나인 광검출효율(PDE)는 하기의 수 학식 1에 의해 정의된다.On the other hand, photodetection efficiency (PDE) which is one of the performance of the silicon photoelectron multiplier is defined by
상기 수학식 1에서 는 입사 광신호의 파장에 따른 양자 효율, 는 인가 전압에 따른 아발란치 기폭 확률(avlanche initiation probability), 는 필 팩터(fill factor)이다.In
와 는 소자의 표면 코팅과 도핑 구조에 따라 달라지는 가시관의 파장과 인가 전압에 따른 함수이며, 상기 필 팩터는 광신호를 받아 반응하여 전기 신호를 생성하는 액티브 영역(active region)과 그렇지 않은 데드 영역(dead region)의 비이다. Wow Is a function of the wavelength of the visible tube and the applied voltage depending on the surface coating and the doping structure of the device, and the fill factor is an active region or a dead region that receives and reacts with an optical signal to generate an electrical signal. region).
여기서, 80 내지 90%의 필 팩터를 가지는 일반적인 아발란치 포토다이오드와는 달리 실리콘 광전자 증배관에서는 한 픽셀에 마이크로 셀의 갯수가 많아 최대 필 팩터가 50%이하로 떨어진다.Here, unlike general avalanche photodiodes having a fill factor of 80 to 90%, the maximum fill factor drops to 50% or less in a silicon photoelectron multiplier because the number of microcells per pixel is large.
특히 한 픽셀의 실리콘 광전자 증배관에 많은 수의 마이크로 셀이 있을 경우, 퀀칭(quenching) 저항의 면적은 줄어들지 않는 반면, 각 마이크로 셀의 액티브 영역만 줄어들기 때문에 마이크로 셀의 크기가 작을수록 필 팩터는 현저하게 떨어진다.In particular, when there are a large number of microcells in one pixel of silicon photomultiplier tube, the area of quenching resistance does not decrease, but only the active area of each microcell is reduced, so the smaller the microcell size, the fill factor is Remarkably falls.
따라서, 광검출효율을 향상시키기 위해서는 실리콘 광전자 증배관에서 필 팩 터를 개선하기 위한 표면 구조가 필요하다. Therefore, in order to improve the light detection efficiency, a surface structure for improving the fill factor in the silicon photomultiplier is required.
즉, 종래의 실리콘 광전자 증배관은 광신호를 받아 반응하여 전기 신호를 생성하는 액티브 영역과 그렇지 않은 데드 영역의 비인 필 팩터가 현저히 낮아 광검출 효율이 현저히 낮다는 문제점이 있는 것이다.That is, the conventional silicon photomultiplier tube has a problem in that the photodetection efficiency is significantly low because the fill factor, which is a ratio between an active region that receives an optical signal and reacts to generate an electrical signal and a dead region that is not, is significantly low.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 입사 감마에너지에 대한 선형성을 확보하기 위하여 마이크로 셀을 증가시킬 경우 필 팩터를 향상시킬 수 있는 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관을 제공하는 것이다.The first problem to be solved by the present invention is to provide a silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency that can improve the fill factor when the microcell is increased to ensure linearity for the incident gamma energy.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관을 적용한 감마선 검출기를 제공하는 것이다.In addition, a second problem to be solved by the present invention is to provide a gamma ray detector to which the silicon photoelectron multiplier with improved photodetection efficiency is applied.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,The present invention to solve the first problem,
복수 개의 마이크로 셀을 포함하는 실리콘 광전자 증배관에 있어서, p+ 전도성 타입의 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 상부에 형성되며, p- 전도성 타입의 에피택시 층, 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 p 영역, 상기 전도성 타입의 p 영역의 상부에 형성되며, 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 n+ 영역, 및 상기 에피택시 층과 상기 전도성 타입의 n+영역의 상부에 형성된 절연층을 포함하는 단위 마이크로 셀; 상기 n+ 영역의 상부에 형성되는 상기 단위 마이크로 셀의 메탈 라인(metal contact); 및 상기 메탈 라인과 연결되며 상기 절연층의 상부에 형성된 퀀칭(quenching)용 폴리실리콘 저항을 포함하며, 상기 퀀칭용 폴리실리콘 저항은 다층 구조를 가지며, 상기 실리콘 광전자 증배관의 깊이 방향으로 상호 중첩되도록 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관을 제공한다. A silicon photomultiplier tube comprising a plurality of micro cells, comprising: a semiconductor substrate of p + conductivity type, an epitaxial layer of p- conductivity type, and a p of conductivity type doped to the epitaxy layer A unit micro that includes a region, an n + region of conductivity type formed on top of the p region of the conductivity type, and a doped epitaxial layer, and an insulating layer formed on the epitaxy layer and n + region of the conductivity type Cell; A metal line of the unit micro cell formed on the n + region; And a quenching polysilicon resistor connected to the metal line and formed on the insulating layer, wherein the quenching polysilicon resistor has a multilayer structure and overlaps each other in the depth direction of the silicon photomultiplier tube. Provided is a silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency, characterized in that a plurality is formed.
한편, 상기 단위 마이크로 셀은 상기 단위 마이크로 셀을 둘러싸도록 형성된 볼록형의 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.The unit micro cell may further include a convex micro lens formed to surround the unit micro cell.
그리고, 볼록형의 마이크로 렌즈는 PDMS, PMMA, 또는 포토레지스트로 이루어질 수 있다.The convex micro lens may be made of PDMS, PMMA, or photoresist.
또한, 상기 다층 구조의 퀀칭용 폴리실리콘 저항은 일단의 폴리실리콘 저항과 타단의 폴리실리콘 저항 각각은 컨택에 의해 교번되어 연결될 수 있다.In addition, the polysilicon resistor for quenching of the multilayer structure may be connected to the polysilicon resistor of one end and the polysilicon resistor of the other end are alternately connected by a contact.
아울러, 상기 퀀칭용 폴리실리콘 저항은 상기 컨택과 옴 접합에 의해 연결될 수 있다.In addition, the polysilicon resistor for quenching may be connected by the contact and the ohmic junction.
그리고, 상기 광전자 증배관은, 상기 퀀칭용 폴리실리콘 저항 및 상기 메탈 라인의 상부에 형성된 유전체; 및 상기 단위 마이크로 셀을 둘러싸도록 상기 유전체의 상부에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있다.The photomultiplier may include a dielectric formed on the quenching polysilicon resistor and the metal line; And a reflective layer formed on the dielectric to surround the unit micro cell.
한편, 상기 반사층은 알루미늄, 텅스텐, 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로 이루어질 수 있다.On the other hand, the reflective layer may be made of one or more compounds selected from the group consisting of aluminum, tungsten, titanium.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, The present invention to solve the second problem,
실리콘 광전자 증배관을 포함하는 감마선 검출기에 있어서, p+ 전도성 타입의 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 상부에 형성되며, p- 전도성 타입의 에피택시 층, 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 p 영역, 상기 전도성 타입의 p 영역의 상부에 형성되며, 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 n+ 영역, 및 상기 에피택시 층과 상기 전도성 타입의 n+영역의 상부에 형성된 절연층을 포함하는 단위 마이크로 셀과, 상기 n+ 영역의 상부에 형성되는 상기 단위 마이크로 셀의 메탈 라인(metal line)과, 상기 메탈 라인과 컨택에 연결되어 상기 절연층의 상부에 형성되며, 상기 실리콘 광전자 증배관의 깊이 방향으로 상호 중첩되도록 복수 개로 형성된 다층 구조의 퀀칭(quenching)용 폴리실리콘 저항과, 상기 단위 마이크로 셀을 둘러싸도록 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 실리콘 광전자 증배관; 및 상기 실리콘 광전자 증배관의 상부에 형성된 광 그리스(optical grease)를 포함하는 감마선 검출기를 제공한다.A gamma ray detector comprising a silicon photomultiplier, comprising: a semiconductor substrate of p + conductivity type, an epitaxial layer of p- conductivity type, a p region of conductivity type doped to the epitaxy layer, A unit micro cell formed on the p region of the conductivity type and including an n + region of the conductivity type doped to the epitaxy layer, and an insulating layer formed on the epitaxy layer and the n + region of the conductivity type; And a metal line of the unit micro cell formed on the n + region, a metal line connected to the metal line and a contact and formed on the insulating layer, and overlapping each other in a depth direction of the silicon photomultiplier tube. A polysilicon resistor for quenching of a multi-layered structure formed as plural as possible, and a micro formed to surround the unit micro cell A silicon photomultiplier tube comprising a lens; And an optical grease formed on an upper portion of the silicon photomultiplier tube.
여기서, 상기 실리콘 광전자 증배관은 상기 퀀칭용 폴리실리콘 저항 및 상기 메탈 라인의 상부에 형성된 유전체; 및 상기 단위 마이크로 셀을 둘러싸도록 상기 유전체의 상부에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있다.The silicon optoelectronic multiplier may include a dielectric formed on the quenching polysilicon resistor and the metal line; And a reflective layer formed on the dielectric to surround the unit micro cell.
한편, 상기 절연층은 실리콘 옥사이드(SiO2), 실리콘 옥시 나이트라이드(SiON), 실리콘 나이트라이드(SiN), 하트늄옥사이드(HfO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로 이루어질 수 있다.The insulating layer may be formed of at least one compound selected from the group consisting of silicon oxide (SiO 2), silicon oxy nitride (SiON), silicon nitride (SiN), and heartnium oxide (HfO).
또한, 상기 마이크로 렌즈는 상기 광 그리스의 굴절률에 따라 볼록형 또는 오목형의 마이크로 렌즈로 형성될 수 있다.In addition, the micro lens may be formed as a convex or concave micro lens according to the refractive index of the optical grease.
본 발명에 의하면, 다층의 폴리실리콘 저항을 형성함으로써 섬광체에서 발생하는 가시광이 데드 영역(dead region)으로 입사하는 것을 최소화하고, 마이크로 렌즈를 각 마이크로 셀에 구비함으로써 필 팩터를 향상시킬 수 있고, 나아가 실리콘 광전자 증배관의 광검출효율향상에 따른 마이크로 셀의 크기를 줄일수 있으므로 감마카메라나 양성자방출단층촬영장치(Positron Emission Tomography:PET)에 사용 되는 감마선 에너지에 대한 충분한 선형성을 가질 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by forming a multi-layered polysilicon resistor, the visible light generated from the scintillator is minimized from entering the dead region, and the fill factor can be improved by providing a microlens in each microcell. Since the size of the microcell can be reduced according to the improvement of the photodetection efficiency of the silicon photomultiplier tube, it can have sufficient linearity with respect to the gamma ray energy used in the gamma camera or the Positron Emission Tomography (PET). .
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, embodiments of the present invention illustrated below may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.Embodiments of the invention are provided to more fully illustrate the invention to those skilled in the art.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관을 도시한 것이다.3A to 3C illustrate a silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관의 구조도를 도시한 것이고, 도 3b는 상기 도 3a를 'A'선을 따라 절취한 단면도를 도시한 것이며, 도 3c는 상기 도 3a를 'B'선을 따라 절취한 단면도를 도시한 것이다.FIG. 3A illustrates a structural diagram of a silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B illustrates a cross-sectional view taken along the line 'A' of FIG. 3A, and FIG. 3C 3A is a cross-sectional view taken along the line 'B' of FIG. 3A.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광전자 증배관은 각각의 마이크로 셀(320)에 메탈 라인(310)이 구비되어 있고 메탈 라인과 컨택(315)으로 연결된 퀀칭용 폴리실리콘 저항(340)이 구비되어 있다.Silicon photomultiplier tube according to an embodiment of the present invention is provided with a
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광전자 증배관의 단면 구조를 보면 도 3b에 도시된 바와 같이, 최하층에 p+ 전도성 타입의 반도체 기판(301)이 있고, 그 상부에 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 p- 전도성 타입의 에피택시 층(302), 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 p 영역(303), 상기 전도성 타입의 p 영역의 상부에 형성되며, 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 n+ 영역(304), 및 상기 에피택시 층과 상기 전도성 타입의 n+영역의 상부에 형성된 절연층(305)으로 이루어져 있음을 알 수 있다.On the other hand, as shown in the cross-sectional structure of the silicon photomultiplier tube according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 3b, there is a p + conductive
한편, 이와 같은 301 내지 305의 구조는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 구조를 사용할 수 있고, 이는 실시 형태 및 사용 형태에 따라 여러 가지 다른 형태로 변형할 수 있음은 물론이다.On the other hand, the structure of the 301 to 305 can be used a structure commonly used in the field to which the present invention belongs, which can be modified in various other forms depending on the embodiment and the use form.
한편, 도 3b에 도시된 바와 같이, 폴리 실리콘 저항(340)과 액티브 영역인 n+ 영역(304)를 연결하기 위한 메탈 라인(310)이 형성되는데, 이는 액티브 영역인 n+ 영역(304)과 폴리실리콘 저항(340) 사이를 컨택(315)을 통하여 연결됨으로써 전하 이동의 경로를 형성하는 역할을 한다.Meanwhile, as shown in FIG. 3B, a
이를 위하여 우선 반도체 공정상에서 액티브 영역인 n+ 영역(304)의 위층에 형성되는 절연층에 일정한 크기로 식각하여 홀을 형성하고, 그 홀에 메탈을 채움으로써 컨택을 형성하고, 메탈 라인(metal line)과 연결시킬 수 있다.To this end, first, a hole is formed by etching a predetermined size in an insulating layer formed on the upper layer of the n +
여기서, 메탈 라인은 일반적으로 전기 전도도가 우수한 알루미늉(Al) 등을 사용할 수 있고, 전술한 절연층은 상기 절연층은 실리콘 옥사이드(SiO2), 실리콘 옥시 나이트라이드(SiON), 실리콘 나이트라이드(SiN), 하트늄옥사이드(HfO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로 이루어질 수 있다.Here, the metal line may generally use aluminium (Al) having excellent electrical conductivity, and the above-described insulation layer may include silicon oxide (SiO 2), silicon oxy nitride (SiON), or silicon nitride (SiN). ), And may be composed of one or more compounds selected from the group consisting of hartnium oxide (HfO).
한편, 상기 메탈 라인(310)과 연결되며 상기 절연층(305)에 형성된 퀀칭(quenching)용 폴리실리콘 저항(340)을 포함하며, 상기 퀀칭용 폴리실리콘 저 항(340)은 다층 구조를 가지며, 상기 실리콘 광전자 증배관의 깊이 방향으로 상호 중첩되도록 복수 개 형성될 수 있다.Meanwhile, the quenching
이는 전술한 바와 마찬가지로, 퀀칭용 폴리실리콘 저항 형성시 일반적인 실리콘 광전자 증배관의 각 마이크로 셀의 퀀칭용 폴리실리콘 저항의 크기는 100㏀ 이상 1㏁이어야 하는데, 반도체 공정에서 저항으로 사용하기 위한 폴리실리콘 저항의 최소 선폭은 일반적으로 2um 이상이기 때문에, 큰 면저항(sheet resistance)을 가지는 폴리실리콘 저항을 사용해야 하거나, 면저항이 작을 경우 폴리 실리콘 저항의 길이를 길게 하여야 한다.As described above, the polysilicon resistance for quenching of each microcell of a typical silicon optoelectronic multiplier should be at least 100 kW or 1 kW when forming the polysilicon resistor for quenching. Since the minimum line width of is generally 2 u m or more, a polysilicon resistor with a large sheet resistance should be used, or if the sheet resistance is small, the length of the polysilicon resistor should be increased.
예를 들어, 면저항의 크기가 1㏀일 경우, 100㏀의 저항을 얻기 위해서는 200um 길이가 필요하다.For example, when the size of the sheet resistance is 1 ㏀, 200 u m length is required to obtain a resistance of 100 ㏀.
한편, 마이크로 셀의 크기가 100um 일경우 두 변을 차지하게 되고, 50um 일 경우네 변을 둘러싸야 100㏀의 저항을 얻을 수 잇으며, 마이크로 셀의 크기가 50um 이하 일 경우, 네 변을 모두 둘러싸도 100㏀의 저항을 얻기가 불가능하다.On the other hand, if the size of the microcells 100 u m be taken if the two sides, 50 u m were surrounding the four sides must It can get
더욱이, 마이크로 셀의 크기가 작아질수록 폴리실리콘의 면저항을 크게 하지 못할 경우, 작은 크기의 마이크로 셀에서는 필 팩터가 감소하게 되는데, 이를 극복하기 위하여 본 발명은 폴리실리콘 저항의 새로운 구조를 제안한다.Further, when the microcell size is smaller, the polysilicon sheet resistance is not increased, the fill factor is reduced in the microcell of small size. To overcome this problem, the present invention proposes a new structure of the polysilicon resistance.
도 3b 및 도 3c에 도시된 본 발명의 일시예에 따른 실리콘 광전자 증배관에서 폴리실리콘 저항(340)은 다층 구조를 가지며, 상기 실리콘 광전자 증배관의 깊이 방향으로 상호 중첩되도록 복수 개 형성되도록 형성할 수 있다.In the silicon optoelectronic multiplier according to the exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIGS. 3B and 3C, the
이와 같이, 다층 구조로 복수 개 형성된 폴리실리콘 저항을 구성함으로써 폴 리실리콘이 차지하는 면적을 줄일 수 있고, 한 층으로 폴리실리콘 저항을 형성하였을 때보다 필 팩터를 향상시킬 수 있다.As described above, by configuring a plurality of polysilicon resistors formed in a multilayer structure, the area occupied by polysilicon can be reduced, and the fill factor can be improved compared to when polysilicon resistors are formed in one layer.
다층 구조로 폴리실리콘 저항을 형성할 경우, 각 층의 폴리실리콘 저항이 연결되도록 컨택(315)을 사용하여 하나의 폴리실리콘 저항의 일단과 타 층의 폴리실리콘 저항의 타단이 도 3c에 도시된 바와 같이 교번되게 연결되도록 함으로써, 컨택(315)에 의하여 폴리실리콘 저항이 병렬로 연결되지 않고, 직렬로 이어진 구조로 연결함으로써 큰 면적을 차지하지 않고도 높은 저항값을 가지는 폴리실리콘 저항을 형성할 수 있다.When forming a polysilicon resistor in a multi-layered structure, one end of one polysilicon resistor and the other end of the polysilicon resistor of the other layer using the
상기 컨택(315)은 각 층의 폴리실리콘 저항을 상호 연결해 주는 역할을 하며 컨택과 폴리실리콘 저항은 옴 접합에 의해 상호 연결되는 구조를 가진다.The
또한, 상기 단위 마이크로 셀은 상기 단위 마이크로 셀을 둘러싸도록 형성된 볼록형의 마이크로 렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.In addition, the unit microcell may further include a convex
상기 볼록형의 마이크로 렌즈(370)는 광신호가 액티브 영역인 마이크로 셀의 포토다이오드 영역에 입사하기 더욱 용이하게 하기 위하여 형성하는 것으로, 이를 통하여 필 팩터를 더욱 향상시킬 수 있다.The convex
여기서, 볼록형의 마이크로 렌즈(370)는 PDMS, PMMA 또는 포토레지스트로 이루어질 수 있다.Here, the convex
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관을 도시한 것이다.4A and 4B illustrate a silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency according to another embodiment of the present invention.
도 4a는 상기 도 2c의 구조를 가지는 마이크로 셀에 있어서 데드 영역(dead region)의 상부에 형성된 반사층(480)을 도시한 것이다.FIG. 4A illustrates a
이의 구조를 더욱 명확하게 살펴보기 위하여 도 4a를 'C'선에 따라 절단한 단면도를 도 4b에 도시하고 있다.4B is a cross-sectional view taken along line 'C' of FIG. 4B to more clearly examine its structure.
도 4b를 참조하면, 상기 도 3b와 동일하게 최하층에 p+ 전도성 타입의 반도체 기판(401)이 있고, 그 상부에 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 p- 전도성 타입의 에피택시 층(402), 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 p 영역(403), 상기 전도성 타입의 p 영역의 상부에 형성되며, 상기 에피택시 층에 도핑된 전도성 타입의 n+ 영역(404), 및 상기 에피택시 층과 상기 전도성 타입의 n+영역의 상부에 형성된 절연층(405)으로 이루어져 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4B, similar to FIG. 3B, a p +
마찬가지로 401 내지 405의 구조는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 구조를 사용할 수 있고, 이는 실시 형태 및 사용 형태에 따라 여러 가지 다른 형태로 변형할 수 있음은 물론이다.Likewise, the structures of 401 to 405 may use structures commonly used in the art to which the present invention pertains, which may be modified in various other forms according to the embodiment and the use form.
한편, 도 4b에 도시된 바와 같이, 폴리 실리콘 저항(440)과 액티브 영역인 n+ 영역(404)를 연결하기 위한 메탈 라인(410)이 형성되는데, 이는 액티브 영역인 n+ 영역(404)과 폴리실리콘 저항(440) 사이를 메탈 라인(410)으로 연결하여 전하 이동의 경로를 형성하는 역할을 한다.Meanwhile, as shown in FIG. 4B, a
이를 위하여 우선 반도체 공정상에서 액티브 영역인 n+ 영역(404)의 위층에 형성되는 절연층에 일정한 크기로 식각하여 띠 모양의 원형 트렌치를 형성하고, 그 트렌치에 메탈을 채움으로써 컨택을 형성하여, 메탈 라인(metal line)과 연결할 수 있다.To this end, in the semiconductor process, a strip-shaped trench is formed by etching a predetermined size in an insulating layer formed on the upper layer of the n +
그리고, 상기 폴리실리콘 저항(440)은 전술한 바와 같이 다층 구조를 가지며, 상기 실리콘 광전자 증배관의 깊이 방향으로 상호 중첩되도록 복수 개 형성되도록 할 수 있다.In addition, the
여기서, 본 발명은 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 퀀칭용 폴리실리콘 저항(440) 및 상기 메탈 라인(410)의 상부에 유전체(490)를 형성하고, 상기 단위 마이크로 셀을 둘러싸도록 상기 유전체(490)의 상부에 반사층(480)을 형성할 수 있다.4B, the dielectric 490 is formed on the quenching
즉, 이와 같이 반사층(480)을 형성함으로써 데드 영역(dead region)에 들어온 가시광이 반사되어 섬광체에서 여러 번의 반사를 거친후 마이 마이크로 셀로 들어오게 함으로써 광수집효과를 더욱 증대시킬 수 있다.That is, by forming the
여기서, 상기 반사층은 알루미늄, 텅스텐, 티타늄, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로 이루어질 수 있다.Here, the reflective layer may be made of one or more compounds selected from the group consisting of aluminum, tungsten, titanium, and gold.
한편 일반 광학 카메라는 마이크로렌즈를 통하여 필 팩터가 낮다 하더라도 100%에 가까운 광수집 효율을 얻을 수 있지만, 일반 광학카메라와는 달리 감마선을 검출하는 감마 검출기에서는 섬광체와 광 그리스(optical prease)가 고려되어야 할 뿐만 아니라, 광학카메라와는 달리 마이크로 렌즈에 입사하는 가시광의 각도가 일정하지 않기 때문에 일반적인 광학카메라에 적용되는 초점거리 연산식만을 이용하여 정확하게 마이크로 렌즈를 설계할 수 없다.On the other hand, general optical cameras can achieve near 100% light collection efficiency even if the fill factor is low through microlenses, but unlike general optical cameras, scintillator and optical grease should be considered in gamma detectors that detect gamma rays. In addition, unlike optical cameras, since the angle of visible light incident on the microlens is not constant, the microlens cannot be accurately designed using only a focal length calculation formula applied to a general optical camera.
따라서, 상기 실리콘 광전자 증배관을 이용한 감마선 검출기에서는 도 5에 도시된 바와 같이 섬광체(590)와 상기 마이크로 셀에 의한 광센서(580), 상기 광센 서의 상부에 형성된 마이크로 렌즈(570) 및 광 그리스(560)로 이루어질 수 있다.Accordingly, in the gamma ray detector using the silicon photomultiplier tube, as shown in FIG. 5, the optical sensor 580 by the
상기 광센서(580)는 전술한 실리콘 광전자 증배관에서의 마이크로 셀과 동일한 구조를 가지므로 이에 대한 자세한 상술은 발명의 구성의 명확화를 위하여 과감히 생략하기로 한다.Since the optical sensor 580 has the same structure as that of the microcell in the aforementioned silicon opto-electronic multiplier, the detailed description thereof will be omitted for clarity.
한편, 상기 광센서(580)는 상기 퀀칭용 폴리실리콘 저항 및 상기 메탈 라인의 상부에 형성된 유전체와, 상기 단위 마이크로 셀을 둘러싸도록 상기 유전체의 상부에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있다. The optical sensor 580 may further include a dielectric formed on the quenching polysilicon resistor and the metal line, and a reflective layer formed on the dielectric to surround the unit micro cell.
이와 같은 감마선 검출기는 마이크로 렌즈의 설계시 상기 마이크로렌즈 굴절률이 고려되어야 한다. 감마선 검출기는 사용분야에 따라 여러가지의 섬광체를 사용하기 때문에 아래와 같이 특정의 섬광체에 대한 마이크로 렌즈를 설계하였다.Such a gamma ray detector should take into account the microlens refractive index when designing a microlens. Since the gamma ray detector uses various scintillators according to the field of use, a microlens for a specific scintillator is designed as follows.
한편, 여기서 마이크로 렌즈(570)는 광 그리스(560)의 굴절률에 따라 볼록형 또는 오목형의 마이크로 렌즈로 이루어질 수 있다. Meanwhile, the
도 6은 특정 기하학적 필 팩터(610)에서 입사 가시광의 각도가 일정하지 않은 경우의 초점 거리를 맞춘 마이크로렌즈의 곡률과 굴절률에 따른 필 팩터를 도시한 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating a fill factor according to curvature and refractive index of a microlens with a focal length when an angle of incident visible light is not constant in a specific geometric fill factor 610.
도 6은 여러 가지 섬광체 중에서 굴절률이 1.82인 LSO(Lu2SiO5)와 굴절률이 1.46인 광 그리스를 이용할 경우의 실리콘 광전자 증배관의 마이크로 렌즈를 상기 도 3c에 따라 모델링하였다.FIG. 6 illustrates a microlens of a silicon photomultiplier tube using LSO (Lu 2 SiO 5 ) having a refractive index of 1.82 and optical grease having a refractive index of 1.46 among various scintillators according to FIG. 3C.
여기서, 마이크로 셀의 피치(pitch)가 50um 이고, 도 3c에 도시된 바와 같은 액티브 영역인 전도성 타입의 n+ 영역(304)이 35um로 기하학적 필 팩터(fill factor)가 49%에서 마이크로렌즈의 곡률과 굴절률에 대한 광수집 효율을 모델링하였다.Here, the pitch of the microcell is 50 u m, and the conductive type n +
이는 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 광학카메라에서 사용되는 초점 거리를 맞춘 마이크로렌즈의 광수집 효율은 마이크로 렌즈에 입사하는 가시광의 각도가 일정하지 않을 때는 필 팩터가 굴절률이 1.6 내지 2.0에서 최고치를 보였으나, 55%의 필 팩터 값을 보임으로써 입사하는 가시광의 각도가 일정하지 않을 때는 큰 효과가 없음을 알 수 있었다.As can be seen in FIG. 6, the light collection efficiency of the focused focal length microlenses used in the optical camera shows that the fill factor has a maximum refractive index of 1.6 to 2.0 when the angle of visible light incident on the microlens is not constant. However, by showing a fill factor value of 55%, it can be seen that there is no great effect when the angle of incident visible light is not constant.
도 7은 본 발명에 적용되는 마이크로렌즈의 곡률과 굴절률에 따른 광수집 효율을 도시한 그래프이다.7 is a graph showing light collection efficiency according to curvature and refractive index of a microlens applied to the present invention.
기하학적 필 팩터(710)에 대응하여, 촛점 거리를 맞추지 않은 마이크로렌즈에서 렌즈의 곡률이 35um(720), 30um(730), 25um(740)일 때의 마이크로렌즈의 굴절률에 따른 광수집효율을 도시하고 있다.Corresponding to the geometric fill factor 710, the refractive index of the microlenses when the lens curvature is 35 u m (720), 30 u m (730), and 25 u m (740) in the microlenses without focusing distance. The light collection efficiency is shown.
도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 전체적으로 마이크로렌즈의 굴절률이 커질수록 광수집효율이 증가하여, 굴절률이 2.0 이상에서는 거의 포화되어 동일한 굴절률을 나타내며, 전체적으로 25um의 곡률에서 가장 높은 광수집효율을 보이고 있음을 알 수 있다.As can be seen in Figure 7, as a whole to the greater the refractive index of the microlens increases the light collection efficiency, the refractive index shows the same refractive index is almost saturated in 2.0 above, the whole of the high light collection efficiency at a curvature of 25 u m It can be seen that.
이와 같이, LSO 섬광체와 1.46의 굴절률을 가지는 광그리스를 사용하였을 경우에 본 발명에 적용되는 최적의 마이크로 렌즈 조건을 찾을 수 있다.As such, when the LSO scintillator and the optical grease having the refractive index of 1.46 are used, the optimum micro lens condition applied to the present invention can be found.
이와 같이, 마이크로 렌즈는 광그리스의 굴절률과 섬광체에 종류에 따라 최 적의 곡률을 설정한 다음, 이와 같이 최적의 곡률이 정해진 마이크로 렌즈를 본 발명에 적용함으로써 최상의 광수집효율을 이끌어 내도록 한다.As described above, the microlenses set the optimum curvature according to the refractive index of the optical grease and the type of the scintillator, and then, by applying the microlens having the optimal curvature to the present invention, the microlens is derived to obtain the best light collection efficiency.
이와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 상술되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다.As such, the present invention has been described above with reference to the embodiments shown in the drawings, which are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. .
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사항에 의하여 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical details of the appended claims.
도 1은 종래의 복수 개의 마이크로 셀을 가지고 있는 실리콘 광전자 증배관의 한 픽셀 단면도를 도시한 것이다.1 illustrates a one-pixel cross-sectional view of a silicon photomultiplier tube having a plurality of conventional microcells.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 마이크로 셀의 크기에 따른 퀀칭 저항이 차지하는 면적을 도시한 것이다.2a to 2c show the area occupied by the quenching resistance according to the size of the conventional microcell.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관의 구조도를 도시한 것이다.FIG. 3A illustrates a structure diagram of a silicon photomultiplier tube with improved photodetection efficiency according to an embodiment of the present invention.
도 3b는 상기 도 3a를 'A'선을 따라 절취한 단면도를 도시한 것이다, 3B is a cross-sectional view taken along the line 'A' of FIG. 3A;
도 3c는 상기 도 3a를 'B'선을 따라 절취한 단면도를 도시한 것이다.3C is a cross-sectional view taken along the line 'B' of FIG. 3A.
도 4a는 상기 도 2c의 구조를 가지는 마이크로 셀에 있어서 데드 영역(dead region)의 상부에 형성된 반사층(480)을 도시한 것이다.FIG. 4A illustrates a
도 4b는 도 4a를 'C'선에 따라 절단한 단면도를 도시한 것이다.4B is a cross-sectional view taken along line 'C' of FIG. 4A.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 광전자 증배관을 이용한 감마선 검출기를 도시한 것이다.5 illustrates a gamma ray detector using a silicon photomultiplier tube according to an embodiment of the present invention.
도 6은 특정 기하학적 필 팩터(610)에서 입사 가시광의 각도가 일정하지 않은 경우의 초점 거리를 맞춘 마이크로렌즈의 곡률과 굴절률에 따른 광수집 효율을 도시한 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating light collection efficiency according to curvature and refractive index of a microlens with a focal length when an angle of incident visible light is not constant in a specific geometric fill factor 610.
도 7은 본 발명에 적용되는 마이크로렌즈의 곡률과 굴절률에 따른 광수집 효율을 도시한 그래프이다.7 is a graph showing light collection efficiency according to curvature and refractive index of a microlens applied to the present invention.
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