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KR20140106625A - 낮은 항복 전압을 갖는 애벌랜치 포토다이오드 - Google Patents

낮은 항복 전압을 갖는 애벌랜치 포토다이오드 Download PDF

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KR20140106625A
KR20140106625A KR1020147017849A KR20147017849A KR20140106625A KR 20140106625 A KR20140106625 A KR 20140106625A KR 1020147017849 A KR1020147017849 A KR 1020147017849A KR 20147017849 A KR20147017849 A KR 20147017849A KR 20140106625 A KR20140106625 A KR 20140106625A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
apd
disposed
thickness
doped silicon
Prior art date
Application number
KR1020147017849A
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English (en)
Inventor
이민 캉
한-딘 딘 리우
Original Assignee
인텔 코오퍼레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인텔 코오퍼레이션 filed Critical 인텔 코오퍼레이션
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Abstract

낮은 항복 전압 특성들을 갖는 Si/Ge SACM 애벌랜치 포토다이오드(APD)들은 특정 두께들 및 도핑 농도들의 다양한 층들을 갖는 흡수 영역 및 증대 영역을 포함한다. 광 도파관은 적외선 및/또는 광신호들 또는 에너지를 흡수 영역 내로 가이드할 수 있다. 결과로서 생기는 광 생성된 캐리어들은 애벌랜치 증대를 위한 증대 영역 및/또는 i-Si 층 내로 휩쓸려간다. APD는 12 V보다 훨씬 작은 항복 바이어스 전압 및 10 GHz보다 큰 동작 대역폭을 갖고, 따라서 소비자 전자 디바이스들, 고속 통신 네트워크들 등에서의 이용에 적합하다.

Description

낮은 항복 전압을 갖는 애벌랜치 포토다이오드{AVALANCHE PHOTODIODE WITH LOW BREAKDOWN VOLTAGE}
정부 재정 지원
본 발명은 DARPA가 수여한 계약 번호 HR0011-06-3-0009 하에서 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명의 일정한 권리들을 갖는다.
기술 분야
실시예들은 일반적으로 포토다이오드들, 및 보다 구체적으로는, 낮은 항복 전압(breakdown voltage) 특성들을 갖는 실리콘/게르마늄(Si/Ge) SACM(separate absorption, charge and multiplication) 애벌랜치 포토다이오드(APD)들에 관한 것이다.
애벌랜치 포토다이오드(APD)들은 고감도가 요구되는 응용들에서 주로 이용된다. 그러한 응용들은, 그외의 응용들 중에서, 롱 홀 광섬유 전기 통신(long haul fiber-optic telecommunication), 레이저 거리계(laser rangefinder), 및 단일 광자 레벨 검출 및 이미징을 포함한다. SiGe APD는 근적외선 광신호들을 타깃으로 하는 유망한 응용들을 제공한다. Si/Ge SACM(separate absorption, charge and multiplication) APD에서, 게르마늄(Ge)은 근적외선 파장들에서 높은 응답도를 제공하는 한편, 실리콘(Si)은 생성된 포토캐리어(photocarrier)들을 낮은 노이즈로 증폭하는 데 이용된다.
또한, SiGe 기반 APD들의 제조에 대한 CMOS 기술의 적용 가능성은 그것의 Ⅲ-Ⅴ APD 대응물(counterpart)들에 비해 낮아진 가격들을 약속한다. APD들이 더 높은 비용 제약들로 인해 전통적으로 주로 하이엔드 시장들을 타깃으로 해왔기 때문에, SiGe APD는 근적외선 스펙트럼에서 고감도를 요구하는 로우엔드 시장들에 대한 유망한 후보이다.
그러나, 낮아진 가격만으로는 APD들의 광범위한 적용을 실현하기에 불충분하다. 가장 큰 장애는, APD들의 동작에 요구되는 높은 바이어스이고, 여기에서 종래 기술은 서버, 데스크톱, 및 그외의 소비자 전자제품들과 같은 현재의 전자제품들 내에 제공되는 12 V의 최대 가용 바이어스를 훨씬 넘어서 동작한다.
따라서, Si/Ge APD들의, 동작 바이어스, 또는 항복 바이어스를 감소시켜 그것들이 소비자 전자제품들, 고속 통신 네트워크들 등에 성공적으로 포함될 수 있게 하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 실시예들은 한정이 아닌, 예로서 예시되고, 도면들에서 유사한 참조 번호들은 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 애벌랜치 포토다이오드(APD)의 단면도를 예시하는 도면.
도 2는 도 1의 APD의 이상적인 내부 전기장 분포의 플롯을 예시하는 도면.
도 3은 도 1의 APD의 시뮬레이션된 암전류(dark current) 및 광전류(photocurrent)의 플롯을 예시하는 도면.
도 4는 도 1의 APD의 측정된 암전류 및 광전류의 플롯을 예시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 2개의 샘플 APD의 측정된 대역폭의 플롯을 예시하는 도면.
이제 본 발명의 실시예들을 상세히 참조할 것이고, 그것의 예시들은 첨부된 도면들에 예시된다. 이하의 상세한 설명에서, 본 발명의 철저한 이해를 가능하게 하기 위해 다수의 특정 상세가 기술된다. 그러나, 당업자들은 이러한 특정 상세 없이 본 발명을 실시할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그외의 예시들에서, 공지된 방법들, 절차들, 컴포넌트들, 회로들, 및 네트워크들은 실시예들의 양태들을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 설명되지 않았다.
용어들 제1, 제2 등이 다양한 엘리먼트들을 설명하기 위해 본원에서 이용될 수 있지만, 이러한 엘리먼트들은 이러한 용어들에 의해 한정되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어들은 하나의 엘리먼트를 또 다른 것으로부터 구별하는 데에만 이용된다. 예를 들어, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고, 제1 층은 제2 층이라고 칭해질 수 있고, 마찬가지로, 제2 층은 제1 층이라고 칭해질 수 있다.
본원의 발명의 설명에서 이용되는 전문 용어는 특정 실시예들을 설명하는 목적만을 위한 것이고 본 발명을 한정하도록 의도되지 않는다. 본 발명의 설명 및 첨부된 특허청구범위에서 이용되는 바와 같이, 단수형들 "하나의(a)", "하나의(an)" 및 "그(the)"는 문맥이 분명하게 달리 나타내지 않는 한, 복수형들을 또한 포함하도록 의도된다. 본원에서 이용되는 바와 같은 용어 "및/또는"은 연관된 나열된 항목들 중 하나 이상의 임의의 및 모든 가능한 조합들을 지칭하고 포함한다는 것이 또한 이해될 것이다. 본 명세서에서 이용되는 경우 용어들 "포함하는" 및/또는 "포함하고 있는"은 정해진 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 엘리먼트들, 및/또는 컴포넌트들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 그외의 특징, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트, 컴포넌트, 및/또는 그들의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것이 더 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 애벌랜치 포토다이오드(APD)(100)의 단면도를 예시한다. APD(100)는 Si/Ge SACM(separate absorption, charge and multiplication) 저전압 애벌랜치 포토다이오드(LVAPD)일 수 있다. 한정이 아닌 일관성을 위해, 본원에 논의되는 애벌랜치 포토다이오드는 APD(100)로서 간략하게 지칭될 것이다. 예시된 바와 같은 APD(100)의 다양한 층들 및 컴포넌트들은 반드시 비례하도록 도시될 필요는 없고, 오히려, 그것들은 각각의 컴포넌트들을 명확히 도시하기 위한 방식으로 예시된다는 것이 이해될 것이다.
APD(100)는 기판(105)을 포함할 수 있다. 기판(105) 상에 n-타입 도핑된 실리콘(n+ Si) 층(110)이 배치될 수 있다. n+ Si 층(110)의 적어도 일부분 상에 진성(intrinsic) 실리콘(i-Si) 층(115)이 배치될 수 있다. i-Si 층(115) 상부에, p-타입 도핑된 실리콘(p Si) 층(120)이 배치될 수 있다. n+ Si 층(110), i-Si 층(115), 및 p Si 층(120)은 캐리어 증대(multiplication) 영역(122)을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에서, p Si 층(120)의 두께 T120는 20 나노미터(nm)이다. 일부 실시예들에서, p Si 층(120)의 두께 T120는 약 20 nm, 다시 말해서, 대략 20 nm이다. 일부 실시예들에서, p Si 층(120)의 도핑 농도는 2x1018cm-3 내지 3x1018cm-3 사이이다. 일부 실시예들에서, p Si 층(120)의 도핑 농도는 약 2x1018cm-3 내지 3x1018cm-3 사이, 다시 말해서, 대략 2x1018cm-3 내지 3x1018cm-3 사이이다.
일부 실시예들에서, i-Si 층(115)의 두께 T115는 0.07 내지 0.13 마이크로미터(㎛) 사이이다. 일부 실시예들에서, i-Si 층(115)의 두께 T115는 약 0.07 내지 0.13 ㎛ 사이, 다시 말해서, 대략 0.07 내지 0.13 ㎛ 사이이다. 일부 실시예들에서, i-Si 층(115)의 두께 T115는 100 nm이다. 일부 실시예들에서, i-Si 층(115)의 두께 T115는 약 100 nm, 다시 말해서, 대략 100 nm이다. 일부 실시예들에서, i-Si 층(115)의 도핑 농도는 5x1015cm-3보다 작다. 일부 실시예들에서, i-Si 층(115)의 도핑 농도는 약 5x1015cm-3보다 작다, 다시 말해, 대략 5x1015cm-3보다 작다.
p Si 층(120)의 적어도 일부분 상에 진성 게르마늄(i-Ge) 층(125)이 배치될 수 있다. i-Ge 층(125) 상에 p-타입 도핑된 실리콘(p+ Ge) 층(130)이 배치될 수 있다. p+ Ge 층(130) 및 i-Ge 층(125)은 흡수 영역(132)을 형성할 수 있다. p+ Ge 층(130), p Si 층(120), 및 n+ Si 층(110) 각각의 적어도 일부분 상에 패시베이션(passivation) 층(145)이 배치될 수 있다. p+ Ge 층(130) 상에 제1 금속 컨택(135)이 배치될 수 있고, n+ Si 층(110) 상에 제2 금속 컨택(140)이 배치될 수 있다.
광도파로(optical waveguide)(155)는 적외선, 근적외선, 및/또는 광신호들 또는 에너지(150)를 흡수 영역(132) 내로 가이드(guide)할 수 있다. 예를 들어, 특히, 고속 동작들에 대해, 도파관(155)을 통한 흡수 영역(132) 내로의 광 신호들의 에바네센트(evanescent) 또는 버트(butt)와 에바네센트의 혼성(hybrid) 결합이 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 유입되는 적외선 및/또는 광신호들 또는 에너지는 i-Ge 층(125) 및/또는 흡수 영역(132)에 먼저 모여지고, 결과로서 생기는 광 생성된(photo-generated) 캐리어들은 애벌랜치 증대를 위한 증대 영역(122) 및/또는 i-Si 층(115) 내로 휩쓸려간다. 대안으로, 또는 부가적으로, 적외선 및/또는 광신호들 또는 에너지는 APD(100)의 층들에 대하여 상부(160)로부터 또는 하부(165)로부터 APD(100)에 도입될 수 있다.
상이한 도핑된 층들은 APD(100)가 정확하게 기능하도록 APD의 내부 전기장을 제어한다. 대략 100 nm 두께의 i-Si 층(115)에 더하여, p Si 전하 층(120)은, 전술한 바와 같이, 고도로 도핑되고 예외적으로 얇게 만들어져, APD 동작 바이어스를 12 V 아래로 억제할 수 있다. p+ Ge 층(130), i-Ge 층(125), n+ Si 층(110), 및 기판(105) 각각의 두께는 그렇게 결정적(critical)이지 않고, 또한 그것들은 본원에 개시된 발명의 양태들을 이용하여 동작가능하기 위한 구체적인 특정한 층 두께를 요구하지 않는다. p Si 층(120) 및 i-Si 층(115) 각각의 두께 및 도핑 농도들은, 본원에 설명된 바와 같은 낮은 바이어스 전압 및 고성능을 달성하기 위해 더 중요하다.
APD(100)는 항복 바이어스 전압과 연관된다. 바람직하게는, 항복 바이어스는 8.5 V 또는 그쯤이다. 일부 실시예들에서, 항복 바이어스는 12 V, 또는 그쯤보다 작다. APD(100)는 또한 동작 대역폭과 연관된다. 바람직하게는, 동작 대역폭은 10 GHz, 또는 그쯤이다. 일부 실시예들에서, 동작 대역폭은 8 GHz보다 크다. 일부 실시예들에서, 동작 대역폭은 10 GHz보다 크다. APD(100)의 시뮬레이션, 측정, 및 성능 특성들은 이하 더 상세히 논의된다.
도 2는 도 1의 APD의 이상적인 내부 전기장 분포의 플롯을 예시한다. APD의 대역폭 및 감도와 같은 성능 양태들은 그것의 내부 전기장 프로파일 또는 분포에 따른다. Ge 흡수 영역(132) 내의 전기장은, 광 생성된 캐리어들이 고대역폭을 달성하도록 빠르게 드리프트 아웃(drift out)하지만, Ge 재료 내에서 애벌런치 증대 또는 터널링을 피하도록 충분히 낮게 유지되는 것을 보장한다. 또한 Si 증대 영역(122) 내에 국한된 높은 전기장은 고감도를 획득하기 위한 애벌랜치 게인을 제공한다. 전기장 프로파일은 각 층의 도핑 레벨들에 민감하고 이에 따른다. 예를 들어, 전기장 프로파일은 전술한 바와 같은, p Si 층(120) 및 i-Si 층(115)의 도핑 농도에 민감하고 이에 따른다.
도 3은 도 1의 APD의 시뮬레이션된 암전류 및 광전류의 플롯을 예시한다. 도 4는 도 1의 APD의 측정된 암전류 및 광전류의 플롯을 예시한다. 이제 도 3 및 도 4를 참조한다.
암전류(예를 들어, 도 3의 305 및 도 4의 405) 및 광전류(예를 들어, 도 3의 310 및 도 4의 410)는 각 플롯들 각각에 도시된다. 광전류는 조사(illumination) 하의 APD 전류에 대응한다. 시뮬레이션의 결과들은 바람직한 또는 다르게는 최적의 층 두께들 및 도핑 농도들을 결정하도록 평가되고 이용될 수 있다. 측정된 값들은 APD(100)의 동작 특성들 및 성능을 확정한다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 2개의 샘플 APD의 측정된 대역폭의 플롯을 예시한다. 측정된 항복 바이어스, 다시 말해서, 동작 바이어스는, 약 8.5 V이고, 이는 소비자 전자제품들의 타깃이 되는 12 V 훨씬 아래이다. 1550 nm 레이저 하에 조사된, APD(100)의 광 응답을 도 5에서 관찰할 수 있다. 대역폭 측정치들은, APD(100)가 12 V 아래의 전압들에서 동작하면서, 10 GHz 위의 대역폭들에서 동작할 수 있다는 것을 도시한다. 본원에 개시된 APD의 실시예들은 그외의 응용들 중에서 롱 홀 광섬유 전기 통신, 레이저 거리계, 및 단일 광자 레벨 검출 및 이미징과 같은 응용들에 포함될 수 있다. 또한, SiGe APD는 근적외선 광신호들을 타깃으로 하는 유망한 응용들을 제공한다.
본원에 개시된 바와 같은, APD(100)의 발명의 양태들은 Si/Ge APD 기술을, 동작 전압 및 비용 제약들로 인해 APD들이 전통적으로 진입하는 데 어려움을 가져왔던 시장인, 소비자 전자제품들 내에서 가용하게 한다. 본원에 개시된 본 발명의 실시예들은 저전압 동작을 요구하는 다양한 고속 및 고감도 광 수신 실리콘 포토닉스 시스템들에 이용될 수 있다.
특정 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 원리들은 그러한 실시예들에 한정되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 본원에 설명된 발명의 개념들은, 예를 들어, 10 Gbit/s 또는 더 높은 통신 네트워크들을 포함하는 고속 통신 시스템들에 이용될 수 있다. 본원에 설명된 애벌랜치 포토다이오드들은 범용 컴퓨터들, 태블릿들, 스마트 폰들, 울트라북들, 서버들 등 내에 포함될 수 있다. 본원에 개시된 실시예들은 낮은 항복 바이어스 특성들을 갖는 소형, 고성능, 및 높은 주파수 응답 APD들을 제공한다.
그외의 변형들 및 수정들이 이하의 특허청구범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 원리들로부터 벗어나지 않고 행해질 수 있다.

Claims (24)

  1. 기판,
    상기 기판 상에 배치된 n-타입 도핑된 실리콘(n+ Si) 층,
    상기 n+ Si 층의 일부분 상에 배치된 진성 실리콘(i-Si) 층,
    상기 i-Si 층 상에 배치된 p-타입 도핑된 실리콘(p Si) 층,
    상기 p Si 층의 일부분 상에 배치된 진성 게르마늄(i-Ge) 층, 및
    상기 i-Ge 층 상에 배치된 p-타입 도핑된 실리콘(p+ Ge) 층
    을 포함하고,
    상기 i-Si 층의 두께는 약 0.07 내지 0.13 마이크로미터(㎛) 사이인 애벌랜치 포토다이오드(APD).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p Si 층의 두께는 약 20 나노미터(nm)인 APD.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 i-Si 층의 두께는 약 100 nm인 APD.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 i-Si 층의 도핑 농도는 5x1015 cm-3보다 작은 APD.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 p Si 층의 도핑 농도는 약 2x1018 cm-3 내지 3x1018 cm-3 사이인 APD.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 p+ Ge 층, 상기 p Si 층, 및 상기 n+ Si 층의 일부분들 상에 배치된 패시베이션(passivation) 층,
    상기 p+ Ge 층 상에 배치된 제1 금속 컨택, 및
    상기 n+ Si 층 상에 배치된 제2 금속 컨택을 더 포함하는 APD.
  7. 제1항에 있어서,
    항복 바이어스(breakdown bias)와 연관되고, 상기 항복 바이어스는 12 볼트(V)보다 작은 APD.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 항복 바이어스는 약 8.5 V인 APD.
  9. 제1항에 있어서,
    동작 대역폭과 연관되고, 상기 동작 대역폭은 약 10 GHz인 APD.
  10. 제1항에 있어서,
    약 8.5 V의 항복 바이어스, 및
    8 GHz 보다 큰 동작 대역폭을 더 포함하는 APD.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 동작 대역폭은 10 GHz보다 큰 APD.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 p+ Ge 층 및 상기 i-Ge 층은 흡수 영역을 형성하는 APD.
  13. 제12항에 있어서,
    광 에너지를 상기 흡수 영역 내로 가이드(guide)하도록 구성되는 도파관(waveguide)을 더 포함하는 APD.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 p Si 층, 상기 i-Si 층, 및 상기 n+ Si 층은 캐리어 증대(carrier multiplication) 영역을 형성하는 APD.
  15. 애벌랜치 포토다이오드(APD)를 포함하는, 사전 정의된 동작 전압을 갖는 회로
    를 포함하고,
    상기 APD는,
    기판,
    상기 기판 상에 배치된 n-타입 도핑된 실리콘(n+ Si) 층,
    상기 n+ Si 층의 일부분 상에 배치된 진성 실리콘(i-Si) 층,
    상기 i-Si 층 상에 배치된 p-타입 도핑된 실리콘(p Si) 층,
    상기 p Si 층의 일부분 상에 배치된 진성 게르마늄(i-Ge) 층, 및
    상기 i-Ge 층 상에 배치된 p-타입 도핑된 실리콘(p+ Ge) 층
    을 포함하고,
    상기 i-Si 층의 두께는 약 0.07 내지 0.13 마이크로미터(㎛) 사이이고,
    상기 APD의 항복 바이어스는 상기 회로의 상기 동작 전압 아래인 전자 디바이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 회로의 사전 정의된 동작 전압은 12 V인 전자 디바이스.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 APD의 항복 바이어스는 약 8.5 V인 전자 디바이스.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 p Si 층의 두께는 약 20 나노미터(nm)인 전자 디바이스.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 i-Si 층의 두께는 약 100 nm인 전자 디바이스.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 i-Si 층의 도핑 농도는 5x1015 cm-3보다 작은 전자 디바이스.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 p Si 층의 도핑 농도는 약 2x1018 cm-3 내지 3x1018 cm-3 사이인 전자 디바이스.
  22. 약 0.07 내지 0.13 마이크로미터(㎛) 사이의 두께 및 약 5x1015 cm-3보다 작은 도핑 농도를 갖는 진성 실리콘(i-Si) 층, 및
    약 20 nm의 두께 및 약 2x1018 cm-3 내지 3x1018 cm-3 사이의 도핑 농도를 갖는 p-타입 도핑된 실리콘(p Si) 층
    을 포함하는 애벌랜치 포토다이오드(APD).
  23. 제22항에 있어서,
    상기 p Si 층은 상기 i-Si 층 상에 배치되는 APD.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 i-Si 층은 약 100 나노미터(nm)의 두께를 갖는 APD.
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