SWIR 대역 이미징 시스템 응용을 위한 낮은 암전류 특성을 지니는 InGaAs/InP Planar-type PIN 포토다이오드 개발

Abstract

높은 detectivity 를 요구하는 SWIR Imaging system 으로써의 응용을 위하여 낮은 dark current 특성을 갖도록 guard-ring 및 ALD-$Al_2O_3$ passivation 을 InGaAs/InP planar-type PIN photodiode 에 적용하여보고 그 특성을 분석하였다. 흡수층의 electron-hole pair 로 인한 dark current 감소를 위하여 guard-ring 이 적용된 구조를 설계하고, PECVD-$SiO_2$ passivation 을 이용하여 소자를 제작하였다. Active pixel 과 Guard-ring 을 형성하는 확산공정 시간을 줄이고, reliability 및 uniformity 를 개선하기 위하여 기존의 Sealed ampoule 방식이 아닌 Zn-doped SOG 방식을 적용하였고, 높은 양자효율을 얻기 위하여 1.0 $\mu$m 로 diffusion depth 를 설정하고, 공정조건을 확립하였다. 이 후, Zn/Au/Cr/Au metal layer 의 annealing 을 통해 p-type InP 와 metal layer 간에 ohmic contact 을 형성하였고, 5.9x10-4 $\Omega$·$cm^2$ 의 specific contact resistivity 를 얻을 수 있었다. 이를 기반으로 InGaAs/InP planar-type PIN photodiode 의 제작 및 측정을 진행하여, guard-ring 이 적용된 소자의 경우 7.4x104 $\Omega$·$cm^2$, guard-ring 이 적용되지 않은 소자의 경우 5.5x10 $\Omega$·$cm^2$ 의 R0A product 를 얻을 수 있었으며, guard-ring 을 통해 R0A product 가 약 1.3배 증가할 수 있는 것을 확인하였다. 다음으로, 표면의 trap 으로 인한 dark current 를 감소하기 위하여 ALD-$Al_2O_3$ passivation 을 적용하고, dark current density 의 개선을 최적화할 수 있도록 annealing 을 진행하였다. Guard-ring 구조가 적용된 소자에 ALD-$Al_2O_3$ passivation 을 적용하여 본 후, R0A product 를 측정해본 결과 1.4x105 $\Omega$·$cm^2$ 로 PECVD-$SiO_2$ passivation 이 적용되었던 소자 대비 1.9 배 정도 커진 값을 보여주었다. 이 후, dark current density 의 더 나은 성능을 위해 post-deposition annealing 을 진행하였고, 500 ˚C 로 annealing 하는 조건에서 R0A 가 2.3x105 $\Omega$·$cm^2$으로 가장 좋은 특성을 나타내었다. Detectivity 의 산출을 위하여 양자효율 측정을 진행하였고, 65 % 의 평균값을 보여 양자효율 목표에 만족하였다. 최종적으로 R0A 및 양자효율로부터 3.0x$10^{12}$ cmHz$^{1/2}$/W 의 Detectivity 를 산출하였으며, 이로부터 SWIR Imaging system 으로의 응용에 적합한 InGaAs/InP planar-type PIN photodiode 가 제작된 것을 알 수 있었다.