KR101947088B1 - 애벌란시 광검출기 - Google Patents
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Abstract
애벌란시 광검출기(APD)는 신호들이 자유 전하 캐리어의로 복조되도록 하는 광 변환기 및 자유 전하 캐리어들을 위한 적어도 하나의 애벌란시 증폭기를 포함한다. 광 변환기 및 애벌란시 증폭기는 동일 기판 상에서 서로에 대해 인접 배치되고, 서로 직접 접촉한다. 애벌란시 증폭기는 콘택층 및 증배층을 포함한다. 증배층은 광 변환기와 동일한 전도 타입의 반도체로 만들어지며 기판을 향하여 일 측면에서 광 변환기와 인접(abutting)한다. 제1 전극은 애벌란시 증폭기의 콘택층 상 있고, 반면에 제2 전극은 기판의 하부 상에 있다.
Description
본 발명은 광검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상대적으로 약한 광 신호를 수신하고 검출하는 애벌란시 광검출기(APD)에 관한 것이다. 이러한 APD는 통신 시스템, 환경 모니터링 시스템, 의학, 생물학, 로봇 공학 등에서 널리 사용된다.
종래의 애벌란시-타입 광검출기(PD)는 다양한 반도체 재료의 여러 층으로 덮인 반도체 기판을 포함하는데, 그 그룹은 생성하는 신호 광자를 흡수하는 광 변환기를 형성하고, 이는 이후 전자 또는 홀과 같은 자유 전하 캐리어를 생성한다. 또한, 광에 의해 생성된 이들 전하 캐리어는 다른 그룹의 층으로 통과하여 캐리어의 애벌란시 증배(avalanche multiplication)를 위한 충분한 세기를 갖는 전계 영역을 생성하는 아발란란체 증폭기를 형성한다.
따라서, 애벌란시-타입 광검출기(APD)는 신호 광자를 전자로 변환하는 광 변환기와, 표준 반도체 증폭기에 의해 등록될 수 있도록 광-전류를 증폭시키는 애벌란시(avalanche) 증폭기를 포함한다.
임계 감도는 APD에 대한 주요 파라미터 중 하나이다; 임계 감도는 광 변환기와 애벌란시 증폭기 모두의 특성에 의해 정의된다. 예를 들어, 임계 감도는 포토 캐리어의 애벌란시 증배에 필요한 강한 필드에 의해 크게 야기되는 애벌란시 증폭기의 배경 전류 또는 잡음 전류에 의해 크게 제한될 수 있다.
애벌란시 증폭기의 배경 전류를 감소시키고 그에 따라 APD의 임계 감도를 향상시키기 위해, 광 변환기의 면적과 비교하여 애벌란시 증폭기의 면적을 더욱 작게 만든다.
이 접근법은 애벌란시 증폭기가 동일한 기판 상의 광 변환기 근처에 위치하는 AU2014201708(A1) 및 US9,035,410의 APD 실시예에서 구현되며, 여기서 광 변환기는 애벌란시 증폭기보다 넓은 면적을 갖는다.
이 공보에서, 광 변환기와 애벌란시 증폭기 사이의 전기 접속은 전도성 점퍼로 이루어지며, 다시 말해 상기 접속은 장치의 주요 반도체 구성요소들인 상기 광 변환기 및 상기 애벌란시 증폭기에 대해 외부에 있다.
종래 기술에는 몇 가지 단점이 있다. 단일 반도체 구조가 아닌 외부 회로를 통해 광 변환기에서 애벌란시 증폭기로 광전송을 전송하는 방식은 과도한 잡음(잡음 전류)이 발생하기 쉽고, 이는 약한 신호에 대한 소자의 감도, 즉 그것의 임계 감도를 크게 떨어뜨린다.
따라서, 광 변환기로부터 애벌란시 증폭기로의 광 캐리어 전송 프로세스에 영향을 주는 과도 잡음 또는 배경 전류에 의해 제한되지 않을 높은 임계 감도를 갖는 APD를 제공하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 종래 기술의 단점을 실질적으로 제거하는 애벌란시 광 검출기(APD)에 관한 것이다.
일 실시예에서, 애벌란시 광검출기(APD; avalanche photodetector)는 신호들이 자유 전하 캐리어의 전류로 복조되도록 하는 광 변환기 및 이들 캐리어들을 위한 적어도 하나의 애벌란시 증폭기를 포함하고, 상기 광 변환기 및 상기 애벌란시 증폭기 모두는 동일 기판 상에서 서로에 대해 인접 배치되고, 상기 증폭기는 2개의 층, 즉 콘택층 및 증배층을 포함한다. 상기 증배층은 상기 광 변환기와 동일한 전도 타입의 반도체로 만들어지며 상기 기판을 향하여 상기 광 변환기와 인접(abutting)한다. 제1 전극은 상기 애벌란시 증폭기의 상기 콘택층 상에 배치되고, 제2 전극은 상기 전도성 기판의 하부 상에 배치된다.
상기 애벌란시 증촉기의 상기 증배층은 상기 광 변환기와 동일한 반도체로 만들어질 수 있다. 상기 애벌란시 증폭기는 증배층 및 콘택층에 의해 형성된 P/N 접합일 수 있다.
콜렉터 층은 상기 광 변환기의 상부 표면 상에 배치될 수 있고, 그것과 상기 증배층 사이에 갭을 가지며, 상기 콜렉터 층은 상기 광 변환기와 동일한 전도 타입의 반도체로 만들어질 수 있고, 반면에 콜렉터 층을 구성하는 반도체의 도핑 밀도는 상기 광 변환기의 도핑 밀도보다 높아야 한다.
콜렉터 층과 광 변환기 중 어느 하나 또는 모두, 또는 콜렉터 층, 광 변환기 및 애벌란시 증폭기 모두는 동일한 반도체로 이루어질 수 있다.
제1 전극을 향하는 애벌란시 증폭기의 콘택층의 표면은 콜렉터 층의 상부 표면의 연장일 수 있다. 애벌란시 증폭기의 증배층 및 콘택층 모두는, 합리적으로는, 메사 구조로 형성될 수 있다.
APD는 또한 애벌란시 증폭기의 측방향 표면에 인접하는 콜렉터 층 및 광 변환기의 상부 표면 상에 위치된 유전층도 포함할 수 있으며, 상기 유전층의 상부 표면은 상기 애벌란시 증폭기의 콘택층의 상부 표면의 연속이고, 제1 전극은 상기 애벌란시 증폭기의 콘택층 및 상기 유전층의 상부 표면 상에 배치될 수 있고, 또한 이 제1 전극은 투명할 수 있다.
애벌란시 증폭기는 광 변환기의 상부 표면 아래에 배치될 수 있으며, 변환기와 애벌란시 증폭기의 콘택층 및 제1 전극 사이에 갭이 있어야 한다. 이 경우, 증폭기와 변환기 사이의 갭은 광 변환기와 콜렉터 층의 표면을 덮을 유전 물질로 채워질 수 있으며, 제1 전극 및 유전 물질의 상부 표면에는 추가 투명 전극이 배치될 수 있다.
APD는 또한 상기 애벌란시 증폭기의 상기 콘택층과 상기 제1 전극 사이의 추가 고저항 물질 층을 더 구비할 수 있다.
다수의 애벌란시 증폭기가 사용되는 경우, 상기 제1 전극 각각은, 합리적으로는, 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 다음의 설명에서 설명될 것이고, 일부는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 이점은 상세한 설명 및 청구범위뿐만 아니라 첨부 도면에서 특히 지적된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 바와 같은 본 발명의 추가 설명을 제공하기 위한 것임이 이해되어야 한다.
본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며 본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 도시하고 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 신호를 자유 전하 캐리어로 복조되도록 하는 광 변환기 및 이들 캐리어에 대한 애벌란시 증폭기를 포함하는 본 발명의 APD의 일 실시예의 단면도이며, 양자 모두 동일한 기판 상에 서로 인접하여 위치하며, 증폭기는 콘택층 및 기판을 향하고 변환기와 인접하는 증배층으로 구성되며; 증폭기의 콘택층 및 기판 상에서 적절히 배치된 2개의 전극을 포함한다.
도 2는 신호를 자유 전하 캐리어로 복조되도록 하는 광 변환기 및 이들 캐리어에 대한 애벌란시 증폭기를 포함하는 본 발명의 APD의 일 실시예의 단면도이며, 양자 모두 동일한 기판 상에 서로 인접하여 위치하며, 증폭기는 콘택층 기판을 향하는 증배층, 및 상기 증배층과 상기 변환기에 인접하는 상기 기판 사이에 배치된 버퍼층으로 구성되며; 증폭기의 콘택층 및 기판 상에 적절히 배치된 2개의 전극을 포함한다.
도 3a는 본 발명의 APD의 제3 실시예의 단면도로서, 콜렉터 층은 광 변환기의 상부 표면 상에 위치되어 콜렉터 층과 증배층 사이에 갭이 존재한다.
도 3b는 숨겨진 채널이 도시된 본 발명의 APD의 제3 실시예의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 APD의 제4 실시예의 단면도로서, 전극을 향하는 애벌란시 증폭기의 콘택층이 콜렉터 층의 상부 표면과 연속인 모습을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 APD의 제5 실시예의 단면도로서, 애벌란시 증폭기가 광 변환기의 상부 표면 아래에 위치하는 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 APD의 제6 실시예의 단면도로서, 애벌란시 증폭기가 광 변환기의 상부 표면 아래에 위치되고, 상기 증폭기와 상기 광 변환기 사이의 갭은 광 변환기 및 콜렉터 층 표면을 덮는 유전 물질로 채워지며, 또한 추가 투명 전극이 제1 전극 및 유전 물질의 상부 표면 상에 배치되는 모습을 도시한다.
도 7은 본 발명의 APD의 제7 실시예의 단면도로서, 애벌란시 증폭기가 광 변환기의 상부 표면 위에 위치되고, 상기 증폭기의 측방향 표면에 인접하는 광 변환기 층 및 콜렉터 층의 상부 표면 상에 위치된 유전층을 구비하며, 또한 추가 투명 전극이 상기 증폭기의 콘택층과 유전층 상에 배치되는 모습을 도시한다.
도 8은 본 발명의 APD의 제8 실시예의 단면도로서, 고저항 물질 층이 애벌란시 증폭기의 콘택층과 제1 전극 사이에 위치되는 모습을 도시한다.
도 1은 신호를 자유 전하 캐리어로 복조되도록 하는 광 변환기 및 이들 캐리어에 대한 애벌란시 증폭기를 포함하는 본 발명의 APD의 일 실시예의 단면도이며, 양자 모두 동일한 기판 상에 서로 인접하여 위치하며, 증폭기는 콘택층 및 기판을 향하고 변환기와 인접하는 증배층으로 구성되며; 증폭기의 콘택층 및 기판 상에서 적절히 배치된 2개의 전극을 포함한다.
도 2는 신호를 자유 전하 캐리어로 복조되도록 하는 광 변환기 및 이들 캐리어에 대한 애벌란시 증폭기를 포함하는 본 발명의 APD의 일 실시예의 단면도이며, 양자 모두 동일한 기판 상에 서로 인접하여 위치하며, 증폭기는 콘택층 기판을 향하는 증배층, 및 상기 증배층과 상기 변환기에 인접하는 상기 기판 사이에 배치된 버퍼층으로 구성되며; 증폭기의 콘택층 및 기판 상에 적절히 배치된 2개의 전극을 포함한다.
도 3a는 본 발명의 APD의 제3 실시예의 단면도로서, 콜렉터 층은 광 변환기의 상부 표면 상에 위치되어 콜렉터 층과 증배층 사이에 갭이 존재한다.
도 3b는 숨겨진 채널이 도시된 본 발명의 APD의 제3 실시예의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 APD의 제4 실시예의 단면도로서, 전극을 향하는 애벌란시 증폭기의 콘택층이 콜렉터 층의 상부 표면과 연속인 모습을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 APD의 제5 실시예의 단면도로서, 애벌란시 증폭기가 광 변환기의 상부 표면 아래에 위치하는 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 APD의 제6 실시예의 단면도로서, 애벌란시 증폭기가 광 변환기의 상부 표면 아래에 위치되고, 상기 증폭기와 상기 광 변환기 사이의 갭은 광 변환기 및 콜렉터 층 표면을 덮는 유전 물질로 채워지며, 또한 추가 투명 전극이 제1 전극 및 유전 물질의 상부 표면 상에 배치되는 모습을 도시한다.
도 7은 본 발명의 APD의 제7 실시예의 단면도로서, 애벌란시 증폭기가 광 변환기의 상부 표면 위에 위치되고, 상기 증폭기의 측방향 표면에 인접하는 광 변환기 층 및 콜렉터 층의 상부 표면 상에 위치된 유전층을 구비하며, 또한 추가 투명 전극이 상기 증폭기의 콘택층과 유전층 상에 배치되는 모습을 도시한다.
도 8은 본 발명의 APD의 제8 실시예의 단면도로서, 고저항 물질 층이 애벌란시 증폭기의 콘택층과 제1 전극 사이에 위치되는 모습을 도시한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도면들은 다음의 참조 번호를 갖는다:
1 - 기판
2 - 광 변환기
3 - 애벌란시 증폭기
4 - 콘택층
5 - 증배층
6 - 제1 전극
7 - 제2 전극
8 - 콜렉터 층
9 - 콜렉터 및 증배층들 사이의 갭
10 - 유전층
11 - 투명 전극
12 - 절연 갭
13 - 유전체 재료
14 - 고-저항 재료 층
15 - 버퍼층
16 - 콜렉터 층(8) 아래의 숨겨진 채널
100 - 라이트 등록(Light registered)
텍스트 및 도면에서, 이들 구성요소들은 다음과 같은 지정을 갖는다: 예를 들어, 306의 3은 도면 번호이고, 06은 위의 리스트로부터의 구성요소의 번호이다.
도 1은 자유 전하 캐리어들로 복조될 신호들에 대한 광 변환기(102) 및 이들 캐리어들에 대한 애벌란시 증폭기(103)를 포함하는 청구된 APD 실시예의 단면도를 도시하며, 양자는 모두 동일한 전도성 기판(101) 상에 서로 인접하여 위치하며, 상기 증폭기는 상기 기판(101)을 향하고 상기 변환기(102)와 접하는 콘택층(104) 및 증배층(105)을 포함하며; 증폭기의 콘택층(104) 상에 그리고 기판(101) 상에 적절히 배치된 2개의 전극(106 및 107)을 포함한다.
그러한 APD의 예는 도핑 밀도가 1018 cm- 3 보다 큰 p+타입 실리콘 기판(101), 에피택시에 의한 도핑 밀도가 1013-1015 cm-3인 p타입 실리콘으로 제조된 광 변환기(102), 및 애벌란시 증폭기(103)를 포함하는 장치이며, 상기 애벌란시 증폭기(103)는 2개의 층, 즉 에피택시에 의한 도핑 농도가 1014-1017 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어지는 두께 5~7 ㎛ 의 증배층(105)과 1018㎝-3 이상의 밀도를 갖는 n타입 도펀트의 0.5 - 1.0 ㎛ 깊이 확산에 의해 생성된 콘택층(104)을 갖는다. 예를 들어, 0.5-1.0 ㎛ 알루미늄, 알루미늄-실리콘 또는 두께가 0.05 내지 1.0 ㎛ 인 Mo, Ti, Au, Al 막의 2개 이상의 층인 2개의 전극은 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 전극(107)은 기판 상에 배치되고, 전극(106)은 애벌란시 증폭기의 콘택층 상에 배치된다.
광 검출기에 대한 재료의 선택은 등록되는 광의 원하는 파장에 의해 결정된다. 1~5 ㎛ 범위의 적외선 방사의 경우, 광 변환기의 바람직한 재료는 반도체 A3B5 그룹, 예를 들어 InGaAsP, InAlAs 또는 다른 좁은 밴드의 버전이다. 애벌란시 증폭기(103)의 경우, InP, InAs, 또는 광 변환기 물질과 기술적으로 호환 가능하고 그것에 근접한 격자 상수를 갖는 광 변환기 반도체용보다 더 넓은 밴드를 갖는 다른 물질이 바람직하다. 광 변환기와 애벌란시 증폭기를 위한 재료의 호환가능한 쌍의 예는 증폭기 용 InP와 광 변환기 용 InGaAsP 이다. 가시광 파장의 경우 실리콘을 사용할 수 있다. 0.4 ㎛ 미만의 파장의 경우, 넓은 밴드 갭 물질, 예를 들어 SiC가 바람직하다. 이 경우에, 실리콘의 경우, 애벌란시 증폭기는 광 변환기와 동일한 물질로 제조될 수 있다.
양의 전압이 전극(107)에 대해 전극(106)에 인가되고, 애벌란시 증폭기의 증배층(105)에서 임팩트 이온화를 트리거하기에 충분히 높을 때, 거기서 자유 전하 캐리어의 증배(multiplication)가 시작되고, 전기장은 애벌란시 증폭기(103)로부터 인접 변환기(102)로 통과한다.
광 변환기의 표면(102)에 도달하는 신호광(100)은 이 층에 의해 흡수되어 그곳에서의 자유 전하 캐리어-전자 및 정공을 생성한다. 광 변환기(102)에 의해 흡수된 광에 의해 생성된 자유 전자(즉, 광전자)는 이후 애벌란시 증폭기(103)를 통과하는 필드에 의해 포획되고 애벌란시 증배층(105)으로 드리프트되어 증배(multiplied)되어 APD 출력 신호를 발생시키며, 홀은 기판(101) 내로 통과한다. 광 변환기(102)의 비-공핍 영역에서의 광에 의해 생성된 광전자는 광 변환기의 자유 전자 농도 구배에 의해 야기되는 확산으로 인해 광 변환기의 공핍 영역에 수집된다.
일반적으로, 광 변환기는 10㎛ 폭 미만인데, 이는 보다 넓은 변환기의 경우 광 캐리어의 확산 수집이 길어지고 재결합 손실이 커져서 성능 손실을 야기하기 때문이다.
도 2는 신호들이 자유 전하 캐리어들로 복조되는 광 변환기(202) 및 이들 캐리어들에 대한 애벌란시 증폭기(103)를 포함하는 청구된 APD 실시예의 단면도를 도시하며, 양자는 모두 동일한 전도성 기판(201) 상에 서로 인접하여 위치하며, 상기 증폭기는 콘택층(204), 상기 기판(201)을 향하는 증배층(205), 및 상기 변환기(102)와 접하고 상기 증배층(205)과 상기 기판(201) 사이에 배치된 버퍼층(215)을 포함하며; 증폭기의 콘택층(204) 상에 그리고 기판(201) 상에 적절히 배치된 2개의 전극(206 및 207)을 포함한다.
그러한 APD의 예는 도핑 밀도가 1018 cm- 3 보다 큰 p+타입 실리콘 기판(201), 에피택시에 의한 도핑 밀도가 1013-1015 cm-3인 p타입 실리콘으로 제조된 광 변환기(202), 및 애벌란시 증폭기(203)를 포함하는 장치이며, 상기 애벌란시 증폭기(203)는 2개의 층, 즉 에피택시에 의한 도핑 농도가 1014-1017 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어지는 두께 5~7 ㎛ 의 증배층(205)과 1018㎝-3 이상의 밀도를 갖는 n타입 도펀트의 0.5 - 1.0 ㎛ 깊이 확산에 의해 생성된 콘택층(204)을 갖는다. 두께 5~7 ㎛ 의 버퍼층(215)은 에피택시에 의한 도핑 농도가 1014-1016 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어진다. 알루미늄 막들인 2개의 전극이 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 전극(207)은 기판 상에 배치되고, 전극(206)은 애벌란시 증폭기의 콘택층 상에 배치된다.
애벌란시 증폭기가 실리콘이 아닌 InP와 같은 다른 반도체 물질로 제조되는 경우, 버퍼층은 일반적으로 애벌란시 층과 동일한 물질로 이루어 지지만 반대 전도성 타입을 갖는다.
양의 전압이 전극(207)에 대해 전극(206)에 인가되면, 그것은 직렬로 연결된 애벌란시 증폭기(203) 및 그 아래에 있는 버퍼층(215)에 인가되어 거기에서 전기장을 유도한다. 층들이 예시적인 파라미터들에 따라 구현되면, 이 필드의 강도는 증배층(205)에서 자유 전하 캐리어의 애벌란시 증배를 트리거링하고 버퍼층(215)을 완전히 공핍시키기에 충분할 것이다. 한편, 전기장은 버퍼층(215)에서 그 측면에 위치한 광 변환기(202)로 통과하여, 그곳에서 공핍 영역을 생성한다.
광 변환기(202)에 도달하는 신호 광(100)은 흡수되어 그곳에서 자유 전하 캐리어 - 전자 및 정공을 생성한다. 광 변환기(202)의 공핍 영역에서 광에 의해 생성된 자유 전자(즉, 광전자)는 필드에 의해 캡쳐되고, 버퍼층(215)을 향해 드리프트되고 애벌란시 증배층(avalanche multiplier layer, 205)로 진행되어 APD 출력 신호를 발생 시키도록 증배되며, 홀은 기판(201) 내로 통과한다. 광 변환기(202)의 공핍 영역 외부에서 광에 의해 생성된 광전자는 확산으로 인해 광 변환기의 공핍 영역으로 수집된다.
도 3은 청구된 APD 실시예의 제3 실시예의 단면도를 도시하며, 콜렉터 층(308)은 광 변환기(302)의 상부 표면 상이 위치되고, 그에 따라 애벌란시 증폭기(303)의 증배층(305)과 콜렉터 층(308) 사이에 갭(309)이 있다.
콜렉터 층(308)은 광 변환기(302)의 표면에 가까운 소수 캐리어의 표면 진동을 억제할 뿐만 아니라 표면 전위를 안정화시키는데 사용되며, 또한 애벌란시 증폭기(303) 내 광 변환기(302)에서 광에 의해 생성된 광 캐리어의 수집 효율을 증가시키는 데에도 사용된다.
콜렉터 층을 갖는 APD의 예는 도핑 밀도가 1018 cm- 3 보다 큰 p+타입 실리콘 기판(301)을 포함하는 장치이며, 상기 실리콘 기판(301) 상에 에피택시에 의한 도핑 밀도가 1013-1015 cm-3인 p타입 실리콘으로 제조된 광 변환기(202)가 위치된다. 콜렉터 층(308)은 1017-1019 cm-3의 표면 농도를 갖는 - B, Al, In 또는 Ga와 같은 - 동일 전도 타입의 도펀트를 사용하여 실리콘 광 변환기(302)의 0.2-0.5 ㎛ 깊이의 이온 도핑에 의해 제조될 수 있다. 애벌란시 증폭기(303)의 증배층(305)과 콜렉터 층(308) 사이에는 0.4-0.7 ㎛ 폭의 갭(309)이 있으며, 상기 증폭기는 2개의 층, 즉 에피택시에 의한 도핑 농도가 1014-1017 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어지는 두께 5~7 ㎛ 의 증배층(305)과 1018㎝-3 이상의 밀도를 갖는 n타입 도펀트의 0.5 - 1.0 ㎛ 깊이 확산에 의해 생성된 콘택층(304)을 갖는다. 알루미늄 막들인 2개의 전극이 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 전극(307)은 기판 상에 배치되고, 전극(306)은 애벌란시 증폭기의 콘택층 상에 배치된다.
전압이 APD 전극들에 인가되면, 변환기(302)의 전계에 의해 포착된 광전자들은 (도 1과 유사하게) 애벌란시 증폭기(303)에서 증배된다. 도 1과의 차이점은 광 컨테이너의 표면 상에 위치된 콜렉터 층이 존재한다는 것이며, 이 층은 애벌란시 증폭기(303)에서 광 변환기(302)를 통과하는 광 캐리어 수집 효율을 증가시킨다.
콜렉터 층(308)에 의해 생성된 광 변환기(302)의 수직 도펀트 농도 구배는 애벌란시 증폭기(303)로부터 통과하는 전계가 전위 전자 웰(숨겨진 채널)이 콜렉터 층(308) 아래에 위치된 변환기의 공핍 영역에 형성되도록 한다. 숨겨진 채널(316)은 도 3b에 도시된다. 광 변환기에서 광에 의해 생성된 광전자는 전자 우물에 수집되고, 애벌란시 증폭기를 향하는 채널을 따라 정해진 스위핑 필드(sweeping field)가 존재하며, 이는 광전자들의 수집 효율과 그들의 변환기로부터 증폭기로의 드리프트 속도를 증가시킨다.
콜렉터 층(308)을 갖는 APD는 또한 변환기 내의 전자 및 홀 역전류(electron and hole counter-currents)가 분리되고 이는 포토캐리어의 적은 재결합으로 귀결된다는 점에서 기능적인 특징을 갖는다. 애벌란시 증배 동안 생성된 홀은 변환기의 표면(콜렉터 층)을 따라 드리프트하는 반면, 전자는 주로 이 층 아래의 숨겨진 채널(316)을 통해 드리프트한다(도 3b 참조).
갭(309)은 애벌란시 증폭기(303) 옆의 콜렉터 층과 변환기의 에지 사이의 0.5-1.0㎛ 폭의 마진이며, 그 최소 폭은 상기 애벌란시 증폭기 옆의 콜렉터 층의 에지 상의 전하 캐리어의 증가된 스퓨리어스 발진(spurious oscillation)에 의해 결정되고, 반면에 그것의 최대 폭은, 만일 갭이 너무 넓을 경우, 숨겨진 채널을 떠나는 광전자가 필드에 의해 광 변환기의 상부 표면으로 가압되고 따라서 증배가 가장 효율적인 영역 바깥의 애벌란시 층 내로 들어가기 때문에 콜렉터 층(308) 효율이 저하된다는 사실에 의해 결정된다. 갭의 폭이 최적이라면, 광전자는 콜렉터 층의 두께와 도핑에 의해 결정되는 숨겨진 채널 깊이에서 애벌란시 증폭기 내로 주입되어 증배가 가장 효율적인 영역으로 들어간다.
도 4에 나타난 바와 같이 APD의 실시예는 전극(406)을 향하는 애벌란시 증폭기의 콘택층(404)을 갖고, 이는 콜렉터 층(408)의 상부 표면의 연속이다. 이러한 평면 구조는 APD를 보다 쉽게 제조할 수 있게하며, APD 제조 및 패키징을위한 바람직한 실시예이다.
도 4에 나타난 바와 같이 APD의 예는 도핑 밀도가 1018 cm- 3 보다 큰 p+타입 실리콘 기판(401)을 포함하는 장치이며, 그 상부에는 에피택시에 의한 도핑 밀도가 1013-1015 cm-3인 p타입 실리콘으로 제조된 광 변환기(402)가 위치된다. 콜렉터 층(408)은 1017-1019 cm-3의 표면 농도를 갖는 동일 전도 타입의 도펀트를 사용하여 실리콘 광 변환기(302)의 0.1-1.0 ㎛ 깊이의 이온 도핑에 의해 제조될 수 있다. 애벌란시 증폭기(403)의 증배층(405)의 상부 표면은 콜렉터 층(408)과 동일한 레벨에 위치된다. 애벌란시 증폭기(403)의 증배층(405)과 콜렉터 층(408) 사이에는 갭(309)과 유사한 갭(409)이 있고, 상기 증폭기는 2개의 층, 즉 에피택시에 의한 도핑 농도가 1015-1017 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어지는 두께 2~7 ㎛ 의 증배층(405)과 1018㎝-3 이상의 밀도를 갖는 n타입 도펀트의 0.2 - 1.0 ㎛ 깊이 확산에 의해 생성된 콘택층(404)을 갖는다. 알루미늄 막들인 2개의 전극이 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 전극(407)은 기판 상에 배치되고, 전극(406)은 애벌란시 증폭기의 콘택층 상에 배치된다. 그들 모두는 예를 들어 알루미늄 막들이다.
양의 전압이 전극(407)에 대해 전극(406)에 인가되고, 상기 전압이 애벌란시 증폭기의 증배층(405)에서 임팩트 이온화를 트리거하기에 충분히 높을 때, 거기서 자유 전하 캐리어의 증배(multiplication)가 시작된다. 한편, 애벌란시 증폭기(403) 아래에 위치된 영역인 포토 캐리어의 공핍 영역으로부터 콜렉터 층(408) 아래의 광전자용 숨겨진 채널을 형성하는 광 변환기 층(402) 내의 영역으로 전계가 통과한다. 광 변환기의 개방 영역에서 광 신호(100)에 의해 생성된 광전자는 숨겨진 채널에서 수집되고 그것을 따라 스위핑 필드에 의해 그려진 증배층(405)으로 드리프트된다.
콜렉터 층(408)은 증폭기의 콘택층(404)보다 두꺼울 수 있고, 이 경우 광전자는 콜렉터 층(408) 아래의 숨겨진 채널로부터 직접적으로 애벌란시 증배층(405)에 들어갈 것이다.
숨겨진 채널 깊이가 콘택층(404) 두께보다 작은 경우, 채널을 떠나는 광 캐리어는 갭 영역(409)의 콘택층(404) 에지로부터 수평으로 전파하는 필드에서도 증배될 수 있다.
도 5는 본 발명의 APD의 실시예의 단면도로서, 애벌란시 증폭기는 광 변환기의 상부 표면 아래에 위치된다. 도 6은 본 발명의 APD의 일 실시예의 단면도로서, 애벌란시 증폭기가 광 변환기의 상부 표면 아래에 위치되고, 증폭기와 광 변환기 사이의 갭이 유전 물질로 채워지는데, 이는 광 변환기 및 콜렉터 층 표면도 덮고, 또한 제1 전극 및 유전 물질의 상부 표면에 배치된 추가 투명 전극도 포함한다.
도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, APD의 실시예는 애벌란시 증폭기(503, 603)를 적절히 갖고, 이들 모두는 절연 갭(512, 612)에 의해 일 측면 상에서 콜렉터 층(508, 608) 및 광 변환기(502, 602)로부터 분리된다. 따라서, 버퍼층(515, 615)이 애벌란시 증폭기(503, 603) 및 기판(501, 601) 사이에 배치된다. 도 6에 도시된 APD는 절연 갭(612)이 613으로 채워진다는 점에서 다르고, 그에 따라 유전 물질(613)의 표면이 제1 전극(606)의 상부 표면과 매치된다. 제1 전극(606) 및 유전 물질(613)의 상부 표면 상에는 투명 전극(611)이 있고, 이는 기판(601) 상에 애벌란시 증폭기(603)의 매트릭스를 생성하는 것을 가능하게 한다.
도 5에 나타난 바와 같이 APD의 예는 도핑 밀도가 1018 cm- 3 보다 큰 p+타입 실리콘 기판(401)을 포함하는 장치이며, 그 상부에는 에피택시에 의한 도핑 밀도가 1013-1015 cm-3인 p+타입 실리콘으로 제조된 광 변환기(502)가 위치된다. 콜렉터 층(508)은 1017-1019 cm-3의 표면 농도를 갖는 동일 전도 타입의 도펀트를 사용하여 실리콘 광 변환기(502)의 0.1-1.0 ㎛ 깊이의 이온 도핑에 의해 제조될 수 있다. 상기 증폭기(503)는 일 측면에서 0.2 - 1.0 ㎛ 폭의 절연 갭(512)에 의해 콜렉터 층(508) 및 광 변환기(502)로부터 분리된다. 바람직한 갭의 폭의 값은 약 0.8 ㎛ (플러스-마이너스 0.1 ㎛) 이다.
상기 증폭기는 2개의 층, 즉 에피택시에 의한 도핑 농도가 1015-1017 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어지는 두께 0.2~5 ㎛ 의 증배층(505)과 1018㎝-3 이상의 밀도를 갖는 n타입 도펀트의 0.2 - 1.0 ㎛ 깊이 확산에 의해 생성된 콘택층(504)을 갖는다. 두께 5~7 ㎛ 의 버퍼층(515)은 에피택시에 의한 도핑 농도가 1014-1016 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어진다. 예를 들어, 0.5-1.0 ㎛ 알루미늄, 알루미늄-실리콘 또는 두께가 0.05 내지 1.0 ㎛ 인 Mo, Ni, Ti, Ta, Au, Al 막의 2개 이상의 층인 2개의 전극은 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 전극(507)은 기판 상에 배치되고, 전극(506)은 애벌란시 증폭기의 콘택층 상에 배치된다.
절연 갭(512)은 이방성 식각(및, 아마도, 하부 에지를 둥글게 하기 위한 등방성 식각)에 의해 실리콘으로 제조 될 수 있다. 강한 필드 영역에서 실리콘의 자유 전하 캐리어의 스퓨리어스 발진을 억제하려면 에지 라운딩 반경이 0.2 ㎛ 이상이어야 한다.
양의 전압이 전극(507)에 대한 전극(506)에 인가될 때, 상기 양전압은 이후 직렬로 연결된 애벌란시 증폭기(503) 및 그것 아래의 버퍼층(515)에 인가되고, 그곳에서 전기장이 유도된다. 층들이 예시적인 파라미터들에 따라 구현되면, 이 경우 이 필드의 강도는 증배층(505)에서 자유 전하 캐리어의 애벌란시 증배를 트리거링하고 버퍼층(515)을 완전히 공핍시키기에 충분할 것이다. 한편, 전기장은 버퍼층(515)에서 그 측면에 위치된 광 변환기(502)를 통과하여 공핍 영역을 생성하면서, 광전자 용 콜렉터 층(508) 아래에 숨겨진 채널도 형성한다(도 3a 참조).
광 변환기(502)에 도달하는 신호광(100)은 흡수되어 그곳에서 자유 전하 캐리어-전자 및 정공을 생성한다. 광 변환기(502)에서 광에 의해 생성된 광전자는 숨겨진 채널에서 수집되고 그것을 따라 애벌란시 증폭기(503)를 향하여 드리프트한다. 숨겨진 채널을 떠난 뒤, 광전자들은 버퍼층(515)을 통과하는 스위핑 필드에 의해 포획되고, 거기서 드리프트되고, 그것을 통과하여 애벌란시 증배층(505)으로 들어가 증배되어 APD 출력 신호를 발생시키고, 홀은 기판(501)으로 통과한다.
갭(512)은 버퍼층(515)을 향하는 변환기-갭 간섭을 따라 전위 구배로 인해 숨겨진 채널을 떠나는 광전자를 드리프트시키기 위한 전위 배리어(potential barrier)가 될 수 없음에 유의한다.
광 변환기(502)의 하부에서 광에 의해 생성된 광전자는 버퍼층(515)을 통과하는 스위핑 필드에 의해 직접 포착 될 수 있다. 광 변환기(502)의 공핍 영역 외부에서 광에 의해 생성된 광전자는 확산으로 인해 광 변환기의 공핍 영역으로 수집된다.
도 6에 나타난 바와 같이 APD의 예는 도핑 밀도가 1018 cm- 3 보다 큰 p+타입 실리콘 기판(601)을 포함하는 장치이며, 그 상부에는 에피택시에 의한 도핑 밀도가 1013-1015 cm-3인 p타입 실리콘으로 제조된 광 변환기(602)가 위치된다. 콜렉터 층(608)은 1017-1019 cm-3의 표면 농도를 갖는 동일 전도 타입의 도펀트를 사용하여 실리콘 광 변환기(602)의 0.1-1.0 ㎛ 깊이의 이온 도핑에 의해 제조될 수 있다.
애벌란시 증폭기(603)는 2개의 층, 즉 에피택시에 의한 도핑 농도가 1015-1017 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어지는 두께 5~7 ㎛ 의 증배층(605)과 1018㎝-3 이상의 밀도를 갖는 n타입 도펀트의 0.5 - 1.0 ㎛ 깊이 확산에 의해 생성된 콘택층(604)을 갖는다. 두께 5~7 ㎛ 의 버퍼층(615)은 에피택시에 의한 도핑 농도가 1014-1016 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어진다.
애벌란시 증폭기(603)의 측방향 표면은 도 5의 갭(512)과 같은 파라미터를 갖는 절연 갭(612)에 의해 콜렉터 층(608) 및 광 변환기(602)로부터 분리되며, 이는 유전 물질(613)로 채워진다. 상기 물질은 예를 들어 SiO2, Si3N4, 옥시-나이트라이드 또는 SiO2, Si3N4, 옥시-나이트라이드, 보론-실리케이트, 보론-포스포러스-실리케이트, 포스포러스 슬리케이스의 다층구조 등일 수 있다. 유전 물질(613)는 콜렉터 층(608) 및 콘택층(604)의 표면 상에 위치되며, 유전층(613)의 상부 표면은 제1 전극(606)의 표면과 매치된다. 제1 전극(606) 및 유전층(613)의 상부 표면에는 ITO, ZnO 또는 Ni, Mo, Ti, Ta 또는 Au 등의 층들으로 이루어지는 투명 전극(611)이 폭 20nm 미만으로 형성된다. 2개의 콘택들이 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 0.5-1.0 ㎛의 알루미늄 막, 알루미늄-실리콘 또는 0.05-1.0 ㎛의 두께를 갖는 Mo, Ni, Ti, Ta, Au, Al 막의 2개 이상의 층인 전극(607)이 기판 상에 배치되고, 투명 전극(606)으로의 다른 콘택은 예를 들어 몰리브덴 또는 Ni, Mo, Ti, Ta 또는 Au의 2개 이상의 층이다.
절연 갭(612)을 유전 물질(예를 들어, SiO2)로 채우는 것은 APD를 종래의 평면 기술로 인해 제조를 실질적으로 용이하게 하며 또한 실리콘 표면을 페시베이션(passivate) 및 안정화시킨다.
광 변환기(602)의 유전 커버 층(613)은 또한 광 변환기의 반도체 표면을 페시베이션(passivate) 및 보호하고 반사방지 코팅도 제공하여, 변환기로의 광 입력을 개선시킨다.
단일의 투명 전극(611)은 APD의 전체 표면에 걸쳐 배치되어, APD가 보다 용이하게 제조되도록 하고, 매트릭스-타입 구조를 갖는 APD를 구현할 수 있게 하며, 상기 매트릭스-타입 구조에서 다수의 애벌란시 증폭기들(603)은 단일 광 변환기(602)로 들어가게(dipped into) 되고 단일 전극(611)에 의해 전력이 공급된다.
도 5 및 도 6에 도시된 APD들 사이에는 실질적인 기능적 차이가 없으며, 후자는 유전 물질(613)를 포함한다. 그러나, 이 물질은 광 변환기(602), 버퍼층(615) 및 애벌란시 증폭기(603)가 제조되는 반도체의 개방 표면의 패시베이션으로 인한 APD 성능의 안정성을 개선시키며, 또한 신호 광이 없을 때 자유 전하 캐리어의 표면 발진도 억제한다.
APD가 하나 이상의 애벌란시 증폭기(603)로 구현되는 경우, 그들 사이에 배치된 유전 물질(613)은, 일 증폭기에서의 애벌란시 증배 동안 핫 전하 캐리어(hot charge carrier)에 의해 방출되는 광자가 다른 증폭기의 애벌란시 증배를 트리거하는 소위 "광학 결합"에 의해 야기된 기생 잡음을 현저히 억제할 것이다. 증폭기가 제조되는 유전 물질(예를 들어, SiO2) 및 반도체(예를 들어, 실리콘)는 상이한 굴절률을 갖기 때문에, 광 결합 광자에 대한 추가적인 반사 경계가 생성된다.
도 6에 도시된 APD는 도 5에 도시된 것과 비교하여, 전자는 그것의 표면 상에 위치된 투명 전극(611)도 포함하고, 상기 전극은 100 스퀘어 당 옴(Ohm per square) 미만의 저항을 갖고 신호 광(100)에 대해 투과성인 임의의 전도성 물질(예를 들어, ITO)로 이루어질 수 있다는 점에서 상이하다. APD의 전체 상부 표면 위에 배치된 단일 투명 전극(611)은, 복수의 애벌란시 증폭기(603)가 전극(611) 아래의 단일 광 변환기(602) 상에 균등하게 이격되어 있는 매트릭스-타입 구조의 APD를 구현할 수 있게 하며, 각각의 증폭기는 광 변환기의 인접 영역에서 광에 의해 생성된 광 캐리어를 증가시킨다.
콜렉터 층(608)이 0.1 ㎛ 두께의 층에 대해 1017cm-3보다 높은 도핑 밀도를 갖는다면, 광 변환기 위에 배치된 투명 전극(611)에 의해 생성된 수직 전계를 차단할 것이고, 그에 따라 상기 필드는 변환기 내부를 통과할 수 없다. 이 경우에, 광 캐리어는 변환기로부터 수집되고 도 5(위 참조)에서 설명한 바와 같이 애벌란시 증폭기(603)로 전송된다.
콜렉터 층(608)이 낮은 도핑 밀도, 즉 1016-1017cm-3 사이의 도핑 밀도를 가지면, 투명 전극(611)에 의해 생성된 수직 전계는 콜렉터 층(608)을 통과할 것이고 유전 층(610) 아래에 위치한 광 변환기(609)로 통과할 것이다. 광 변환기에서 깊은 빛(light deep in the photoconverter)에 의해 생성된 광 캐리어는 수직 필드에 의해 이송되고 이후 콜렉터 층(608)에 가압된다; 그것들은 하부의 숨겨진 채널에서 수집되어 그것을 따라 증폭기를 향해 드리프트되며, 증폭기 아래의 변환기 영역으로부터 시작되는 수평 스위핑 필드에 의해 구동된다(도 5 참조).
도 7에 도시된 바와 같이, APD 실시예의 단면은, 광 변환기(702)의 상부 표면 위에, 기판(701)으로부터 증폭기를 분리하는 버퍼층(715) 상에 위치된 애벌란시 증폭기(703)를 포함하고, 증폭기(703)의 측방향 표면과 인접하는 콜렉터 층(708)의 상부 표면 상에 유전층(710)이 위치되며; 투명 전극(711)은 증폭기의 콘택층(704) 및 유전층(710)의 상부 표면 상에 배치된다.
도 7에 나타난 바와 같이 APD의 예는 도핑 밀도가 1018 cm- 3 보다 큰 p+타입 실리콘 기판(701)을 포함하는 장치이며, 그 상부에는 에피택시에 의한 도핑 밀도가 1013-1015 cm-3인 p타입 실리콘으로 제조된 광 변환기(702)가 위치된다. 콜렉터 층(708)은 1016-1019 cm-3의 표면 농도를 갖는 동일 전도 타입의 도펀트를 사용하여 실리콘 광 변환기(702)의 0.1-1.0 ㎛ 깊이의 이온 도핑에 의해 제조될 수 있다. 애벌란시 증폭기(703)는 기판(701)으로부터 그것을 분리시키는 버퍼층(715) 상에 위치된다. 증폭기(703)는 2개의 층, 즉 에피택시에 의한 도핑 농도가 1015-1017 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어지는 두께 0.2~5 ㎛ 의 증배층(705)과 1018㎝-3 이상의 밀도를 갖는 n타입 도펀트의 0.1 - 0.5 ㎛ 깊이 확산에 의해 생성된 콘택층(704)을 갖는다. 콜렉터 층(708)의 표면 상에 위치된 유전층(710)이 있으며, 유전층의 상부 표면은 제1 전극(706)의 표면과 매치된다. 제1 전극(706) 및 유전층(710)의 상부 표면에는 예를 들어, 인듐 및 주석 ITO 산화물, ZnO 산화물 또는 매우 얇은 Ni, Mo, Ti, Ta 또는 Au 필름으로 20nm 미만의 두께를 갖도록 제조될 수 있는 투명 전극(711)이 있다.
2개의 콘택이 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 일반적으로 0.5 내지 1.0 ㎛의 폭을 갖는 Al 또는 Al-Si 또는 0.05 내지 1.0 ㎛의 폭을 갖는 Mo, Ni, Ti, Ta, Au, Al의 층인 전극(707), 및 Ni, Mo, Ti, Ta, Au의 층들 또는 Mo의 투명 전극(711)으로의 콘택.
버퍼층(715)은 애벌란시 증폭기(703)보다 0.5 - 1 ㎛ 넓으며, 증폭기 옆에 있는 콜렉터 층 에지를 스퓨리어스 발진을 일으킬 수 있는 강한 필드 영역으로부터 멀어지게 이동시킨다.
양의 전압이 전극(707)에 대해 전극(706)에 인가되면, 그것은 직렬로 연결된 애벌란시 증폭기(703) 및 그 아래에 있는 버퍼층(715)에 인가되어 거기에서 전기장을 유도한다. 층들이 예시적인 파라미터들에 따라 구현되면, 이 필드의 강도는 증배층(705)에서 자유 전하 캐리어의 애벌란시 증배를 트리거링하고 버퍼층(715)을 완전히 공핍시키기에 충분할 것이다. 한편, 전기장은 버퍼층(715)에서 그 측면에 위치한 광 변환기(702)로 통과하여, 그곳에서 공핍 영역을 생성하면서, 광전자 용 콜렉터 층(708) 아래에 숨겨진 채널도 형성한다(도 2 참조).
광 변환기(702)에 도달하는 신호광(100)은 흡수되어 그곳에서 자유 전하 캐리어-전자 및 정공을 생성한다. 광 변환기(702)에서 광에 의해 생성된 광전자는 숨겨진 채널에서 수집되고 그것을 따라 애벌란시 증폭기(703)를 향하여 드리프트한다. 숨겨진 채널을 떠난 뒤, 광전자들은 버퍼층(715)으로 들어가고, 애벌란시 증배층(205)으로 더욱 들어가 증배되어 APD 출력 신호를 발생시키고, 홀은 기판(701)으로 통과한다. 광 변환기(702)의 공핍 영역 외부에서 광에 의해 생성된 광전자는 확산으로 인해 광 변환기의 공핍 영역으로 수집된다.
도 2 및 도 7에 도시된 APD들 사이에는 많은 기능적 차이가 없으며, 후자는 유전 물질(713)를 포함한다. 그러나, 이 물질은 광 변환기(702), 버퍼층(715) 및 애벌란시 증폭기(703)가 제조되는 반도체의 개방 표면의 패시베이션으로 인한 APD 성능의 안정성을 개선시키며, 또한 신호 광이 없을 때 자유 전하 캐리어의 표면 발진도 억제한다.
APD가 하나 이상의 애벌란시 증폭기(703)로 구현되는 경우, 그들 사이에 배치된 유전 물질(710)은, 일 증폭기에서의 애벌란시 증배 동안 핫 전하 캐리어(hot charge carrier)에 의해 방출되는 광자가 다른 증폭기의 애벌란시 증배를 트리거하는 소위 "광학 결합"에 의해 야기된 기생 잡음을 현저히 억제할 것임에 또한 유의한다. 증폭기가 제조되는 유전 물질(예를 들어, SiO2) 및 반도체(예를 들어, 실리콘)는 상이한 굴절률을 갖기 때문에, 광 결합 광자에 대한 추가적인 반사 경계가 생성된다.
단일의 투명 전극(711)은 APD의 전체 상부 표면 상에 걸쳐 배치되어, 매트릭스-타입 구조를 갖는 APD를 구현할 수 있게 하며, 상기 매트릭스-타입 구조에서 다수의 애벌란시 증폭기들(703)은 상기 단일 광 변환기(702) 상에서 균등하게 이격되고, 각 증폭기는 광 변환기의 인접 영역에서 광에 의해 생성된 광 캐리어를 증가시킨다.
도 8에 나타난 바와 같이, APD(803)의 실시예는 광 변환기(802) 및 애벌란시 증폭기(803)를 포함하며, 양자는 모두 동일한 전도성 기판(801) 상에 서로 인접하여 위치하며, 상기 증폭기는 콘택층(804) 및 증배층(805)을 포함한다. 콘택층(804)의 표면 상에는, 애벌란시가 발생하고 있을 때, 105 이상의 증배 계수 및 음의 피드백을 제공하도록 설계된 고 저항 물질층(814)이 있다. 2개의 전극이 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 몰리브덴 막인 제1 전극(806)은 애벌란시 증폭기(803)의 고저항 물질층(814) 위에 배치되고; 알루미늄 막인 제2 전극(807)은 기판(801) 상에 배치된다.
그러한 APD의 예는 도핑 밀도가 1018 cm- 3 보다 큰 p+타입 실리콘 기판(801), 에피택시에 의한 도핑 밀도가 1013-1015 cm-3인 p타입 실리콘으로 제조된 광 변환기(802) 및 2개의 층을 갖는 애벌란시 증폭기(803)를 포함하는 장치이며, 상기 2개의 층은: 에피택시에 의한 도핑 농도가 1015-1017 cm-3인 p타입 실리콘으로 이루어지는 두께 0.2~0.5 ㎛ 의 증배층(805)과 1018㎝-3 이상의 밀도를 갖는 n타입 도펀트의 0.5 - 1.0 ㎛ 깊이 확산에 의해 생성된 콘택층(804)을 갖는다. 콘택층(804)의 표면 상에 비저항이 1500 Ohm-cm보다 높은 SiOC, SiC 또는 폴리실리콘으로 제조된 고저항 물질층(814)이 있다. 2개의 전극이 APD를 외부 회로에 연결하는데 사용된다: 몰리브덴 막인 제1 전극(806)은 애벌란시 증폭기(803)의 고저항 물질층(813) 위에 배치되고; 알루미늄 막인 제2 전극(807)은 기판(801) 상에 배치된다.
도 1 및 도 8에 도시된 APD들 간의 주요 기능상의 차이점은, 후자는 고저항 층(814)으로 인해 소위 "가이거 모드(Geiger mode)"에서 동작할 수 있다는 것이며, 이는 특정 구현들에서 중요할 수 있다.
본 발명의 상이한 실시예가 설명되었으며, 기술된 방법 및 장치의 소정의 이점이 달성되었다는 것이 당업자에게 명백해야 한다. 본 발명의 범위 및 사상 내에서 다양한 변형, 개조 및 대안적인 실시예가 이루어질 수 있다는 것도 이해되어야 한다. 본 발명은 다음의 청구 범위에 의해 더 한정된다.
Claims (24)
- 애벌란시 광검출기(APD; avalanche photodetector)로서:
신호들이 자유 전하 캐리어의 전류로 변환되도록 하는 광 변환기; 및
상기 전류에 대한 적어도 하나의 애벌란시 증폭기를 포함하고,
상기 광 변환기 및 상기 애벌란시 증폭기는 동일 기판 상에서 서로에 대해 인접 배치되고 서로에 대해 직접 접촉하며,
상기 애벌란시 증폭기는 콘택층 및 증배층을 포함하고,
상기 증배층은 상기 광 변환기와 동일한 전도 타입의 반도체로 만들어지며 일 측면 상에서 기판을 향하여 상기 광 변환기와 인접(abutting)하며,
제1 전극은 상기 애벌란시 증폭기의 상기 콘택층 상에 있고, 제2 전극은 상기 기판의 하부 상에 있는, 애벌란시 광검출기. - 애벌란시 광검출기(APD; avalanche photodetector)로서:
신호들이 자유 전하 캐리어의 전류로 변환되도록 하는 광 변환기; 및
상기 전류에 대한 적어도 하나의 애벌란시 증폭기를 포함하고,
상기 광 변환기 및 상기 애벌란시 증폭기는 동일 기판 상에서 서로에 대해 인접 배치되며,
상기 애벌란시 증폭기는 콘택층, 증배층, 및 상기 기판과 상기 증배층 사이의 버퍼층을 포함하고,
상기 버퍼층은 상기 광 변환기에 인접하며,
상기 버퍼층은 상기 광 변환기와 동일한 전도 타입의 반도체로 만들어지며,
제1 전극은 상기 애벌란시 증폭기의 상기 콘택층 상에 있고, 제2 전극은 상기 기판의 하부 상에 있는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기의 상기 증배층은 상기 광 변환기와 동일한 반도체로 만들어지는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 2에 있어서,
상기 버퍼층은 상기 증배층 및 상기 광 변환기와 동일한 반도체로 만들어지는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
상기 버퍼층은 상기 광 변환기와 동일한 두께를 갖는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기는 상기 증배층 및 상기 콘택층에 의해 형성된 P/N 접합인, 애벌란시 광검출기. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 광 변환기의 상부 표면 상의 콜렉터 층; 및
상기 콜렉터 층과 상기 애벌란시 증폭기 사이의 갭을 더 포함하는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 7에 있어서,
상기 콜렉터 층은 상기 광 변환기와 동일한 전도 타입의 반도체로 만들어지는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 7에 있어서,
상기 콜렉터 층의 도핑 레벨은 상기 광 변환기의 도핑 레벨보다 높은, 애벌란시 광검출기. - 청구항 7에 있어서,
상기 콜렉터 층은 상기 광 변환기와 동일한 반도체로 만들어지는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전극을 향하는 상기 애벌란시 증폭기의 상기 콘택층의 표면은 콜렉터 층 및 광 변환기의 상부 표면들의 연속인, 애벌란시 광검출기. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기는 상기 광 변환기 및 콜렉터 층의 상부 표면 아래에 있고 상기 애벌란시 증폭기의 상기 제1 전극, 상기 콘택층, 및 상기 광 변환기 사이의 전기적 연결을 형성하지 않는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 2에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기는 상기 광 변환기 및 콜렉터 층의 상부 표면 아래에 있고 상기 콜렉터 층 및 상기 광 변환기 사이의 전기적 연결을 형성하지 않는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 2에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기는 콜렉터 층의 상부 표면 아래에 위치되고 상기 콜렉터 층과의 전기적 연결을 형성하지 않는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 12에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기와 상기 광 변환기 사이의 유전 물질 층을 더 포함하는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 14에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기와 상기 콜렉터 층 사이의 유전 물질 층을 더 포함하는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 15에 있어서,
상기 유전 물질은 상기 광 변환기와 콜렉터 층의 표면을 덮는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 16에 있어서,
상기 유전 물질은 상기 콜렉터 층의 표면을 덮는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 17에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 유전 물질 층의 상부 표면 상의 추가 투명 전극을 더 포함하는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기의 상기 콘택층의 상부 표면은 상기 광 변환기 및 콜렉터 층의 상부 표면 위에 있는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 20에 있어서,
상기 광 변환기 및 상기 콜렉터 층의 상부 표면 상의 그리고 상기 애벌란시 증폭기의 측방향 표면에 인접하는 추가 유전 층을 더 포함하는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 21에 있어서,
상기 제1 전극은 투명하고 상기 유전 층 및 상기 애벌란시 증폭기의 상기 콘택층의 상부 표면 상에 배치되는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기의 상기 콘택층과 상기 제1 전극 사이의 추가 고저항 물질 층을 더 포함하는, 애벌란시 광검출기. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 애벌란시 증폭기의 상기 제1 전극은 서로 전기적으로 연결되는, 애벌란시 광검출기.
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