KR20140055029A - 크로스토크를 감소시키는 실리콘 광증배관 소자 - Google Patents

크로스토크를 감소시키는 실리콘 광증배관 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 마이크로 픽셀로 이루어진 크로스토크를 감소시키는 실리콘 광증배관 소자(Silicon Photomultiplier)에 대해 개시한다. 본 발명에서 제안하는 실리콘 광증배관 소자는 마이크로 픽셀들을 전기적으로 서로 분리시키는 다수의 트랜치 구조; 및 트랜치 구조 내부에 채워져 마이크로 픽셀 간의 크로스토크 현상을 감소시키는 충전 물질을 포함한다.

Description

크로스토크를 감소시키는 실리콘 광증배관 소자{SILICON PHOTOMULTIPLIER REDUCING OPTICAL CROSSTALK}
본 발명은 실리콘 광증배관 소자에 관한 것이고, 보다 상세하게는 크로스토크를 감소시키는 실리콘 광증배관 소자에 관한 것이다.
최근 광센서 분야에서 기존의 광증배관 소자(PMT, Photomultiplier)를 대체하기 위해 고안된 실리콘 광증배관 소자(Silicon Photomultiplier; SiPM)는 초소형으로 제작이 가능하고, 상온에서 매우 낮은 전압으로 동작되며(일반적으로 25~100V), 자기장에 영향을 받지 않는 특징을 가지고 있다. 또한, 실리콘 광증배관 소자는 100만배로 신호를 증폭시킬 수 있어, 단일 광자의 측정이 가능하고 암실에서도 밝은 영상을 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 실리콘 광증배관 소자의 단면도이다. 도 1에 도시된 것처럼, 실리콘 광증배관 소자(100)는 다수의 마이크로 픽셀(Micro-pixel, 110)을 포함하여 이루어진다. 각 마이크로 픽셀(110)의 크기는 10~100㎛로 1㎟의 면적당 마이크로 픽셀 100~1000개가 집적된다. 각 마이크로 픽셀(110)은 p+ 전도성 타입의 기판(140) 위에 5㎛ 이하의 두께로 형성된 p- 전도성 타입의 에피텍시층(Epitaxial Layer, 130)과, 에피텍시층(130) 내에 순차적으로 p 이온과 n+ 이온을 주입하여 형성된 PN 접합층(PN-Junction Layer, 120)을 포함한다.
마이크로 픽셀(110)의 간단한 동작 원리는 다음과 같다. PN 접합층(120)에서는 n형에서 p형 방향으로 매우 강한 전기장이 형성됨에 따라 얇은 공핍 영역(Depletion Region)이 형성된다. 이때, 마이크로 픽셀(110)로 입사되는 빛(광자)에 의해 생성된 전자-정공 짝(Electron-Hole Pair)이 형성되어 있는 전기장에 의해 가속된다. 이렇게 가속된 전자-정공 짝은 전자사태 방전(Avalanche Breakdown)을 야기시키고, 전자사태 방전에 의해 신호가 증폭된다. 각 마이크로 픽셀(110)은 도 2에 도시된 가이거 모드(Geiger Mode)에서 동작하며, 복수의 증폭된 신호가 하나의 출력으로 합쳐진다. 도 2는 일반적인 실리콘 광증배관 소자에서 에피텍시층 내 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
이러한 종래 실리콘 광증배관 소자(100)는 각 마이크로 픽셀(110)을 광학적으로 서로 분리하기 위하여, 마이크로 픽셀(110) 사이에 배치되는 트랜치 구조 및 가드링을 포함한다. 즉, 트랜치 구조 및 가드링은 마이크로 픽셀(110) 간에 서로 미치는 영향을 감소시키기 위한 구성이다.
그러나 트랜치 구조 및 가드링이 배치되어 있다 하더라도, 크로스토크(Crosstalk) 문제가 여전히 발생하는 한계가 있었다. 크로스토크 현상은 전자사태 방전으로 인해 발생하는 2차 광자에 의해 일어날 수 있고, 위 전자사태 방전과 다른 전자사태 방전으로 나타날 수 있다. 이러한 크로스토크 현상은 실리콘 광증배관 소자의 광검출 효율(Photo Detection Efficiency; PDE)에 악영향을 미칠 수 있고, 광측정 정확도를 감소시키기 때문에, 크로스토크 현상을 저감시키는 기술에 대한 연구가 진행 중에 있다.
한편, 한국등록특허 제10-1113364호(발명의 명칭: 실리콘 광전자 증배관 및 상기 실리콘 광전자 증배관을 위한 셀)는 종래 실리콘 광증배관 소자의 구조를 개시하면서 이방성 에칭에 의해 마이크로 픽셀 사이에 형성되는 오목부 형상의 분리 요소에 대한 기술을 설명하고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예는 마이크로 픽셀 사이에서 발생할 수 있는 크로스토크 현상을 줄일 수 있는 실리콘 광증배관 소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는 다수의 마이크로 픽셀로 이루어진 실리콘 광증배관 소자(Silicon Photomultiplier)에 있어서, 마이크로 픽셀들을 광학적으로 서로 분리시키는 다수의 트랜치 구조; 및 트랜치 구조 내부에 채워져 마이크로 픽셀 간의 크로스토크 현상을 감소시키는 충전 물질을 포함하는 실리콘 광증배관 소자를 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 실리콘 광증배관 소자에 의하면, 트랜치 구조 내부에 마이크로 픽셀 간의 크로스토크 현상을 감소시키는 충전 물질을 채움으로써, 정확한 광측정이 가능해지고, 각 마이크로 픽셀의 광 검출 효율 및 신호 대 잡음(SNR) 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 실리콘 광증배관 소자의 단면도이다.
도 2는 일반적인 실리콘 광증배관 소자에서 에피택시층 내 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크로스토크를 감소시키는 실리콘 광증배관 소자의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 크로스토크 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 트랜치 구조를 구체적으로 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크로스토크를 감소시키는 실리콘 광증배관 소자의 단면을 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 실리콘 광증배관 소자(200)는 다수의 마이크로 픽셀, 다수의 트랜치 구조(Trench Structure, 270) 및 트랜치 구조에 채워지는 충전 물질을 포함한다.
각 마이크로 픽셀에 포함되는 실리콘 기판(210), 에피텍시층(220), PN 접합층(230), 절연층(240), 저항(250), 알루미늄 구성(260)에 대해 간략하게 설명한다. 실리콘 기판(210)은 p 전도성 타입 또는 n 전도성 타입으로 도핑된 것이고, 도 3의 경우 p 전도성 타입의 실리콘 기판(210)을 도시한 것이다. 실리콘 기판(210)의 도핑 농도와 관련해서, 1017~1020cm-3의 고농도 도핑일 수 있고, 실리콘 기판(210)에 자연적으로 발생하는 암전류(Dark Current)를 감소시키기 위해 1012~1016cm-3의 저농도 도핑을 할 수도 있다.
에피텍시층(220)은 실리콘 기판(210) 위에 형성되고, 실리콘 기판(210)과 동일한 전도성 타입으로 도핑된다. 즉, 도 3에 도시된 것처럼 실리콘 기판(210)이 p 전도성 타입이면 에피텍시층(220)도 p 전도성 타입이다. 에피텍시층(220)은 1014~1018cm-3과 같이 실리콘 기판(210)과 다른 도핑 농도로 형성시킬 수 있고, 실리콘 기판(210)에 자연적으로 발생하는 암전류(Dark Current)를 감소시키기 위해 1012~1016cm-3과 같이 실리콘 기판(210)과 동일한 도핑 농도로 형성시킬 수도 있다.
PN 접합층(230)은 에피텍시층(220) 내에서 성장되고, PN 접합이 일어나 공핍 영역을 형성한다. 이러한 공핍 영역에서 발생되는 전자사태 방전에 의해 2차 광자가 생성될 수 있고, 생성된 2차 광자에 의해 마이크로 픽셀의 광검출 효율에 악영향을 미치는 크로스토크 현상이 일어날 수 있다.
일반적으로 PN 접합층(230)은 1017~1018cm-3의 도핑 농도로 형성되고 실리콘 기판(210)과 동일한 전도성 타입의 제 1 전도성층과, 1019~1021cm-3의 도핑 농도로 형성되고 실리콘 기판(210)과 반대인 전도성 타입의 제 2 전도성층으로 이루어진다. 즉, 도 3에 도시된 것처럼 실리콘 기판(210)이 p 전도성 타입이면, PN 접합층(230)을 이루는 제 1 전도성층은 p 전도성 타입이고 제 2 전도성층은 n 전도성 타입이다.
절연층(240)은 상술한 PN 접합층(230) 위에 형성되어 각 마이크로 픽셀에 입사되는 빛 중 반사되는 빛을 줄여 감도를 향상시킨다.
폴리실리콘 저항(250)은 가이거 모드 방전에 의해 일정량의 전류가 흐른 이후에 전기의 흐름을 끊어주기 위해 절연층(240) 위에 위치하고, 1㏀ ~ 100㏁의 값을 가진다. 알루미늄 구성(260)은 각 마이크로 픽셀에서 발생한 전류를 한 곳으로 모으는 역할을 수행한다.
아울러, 다수의 트랜치 구조(270) 및 가드링(Guard Rings, 280)은 마이크로 픽셀 사이에 배치되어 각 마이크로 픽셀을 광학적으로 서로 분리시킨다. 특히, 본 발명에서 제안하는 실리콘 광증배관 소자는 이러한 트랜치 구조(270) 내부에 채워져 마이크로 픽셀 간의 크로스토크 현상을 감소시키는 충전 물질을 포함하고, 이들에 대해 도 4 및 도 5를 참고하여 설명하기로 한다.
도 4는 크로스토크 현상을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 3에 도시된 트랜치 구조를 구체적으로 도시한 도면이다. 이때, 트랜치 구조(270)는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 따른 식각 또는 이미 알려진 다양한 방식에 의해 형성될 수 있고, 일자(I) 구조, U자 구조, V자 구조 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
n 전도성 타입으로 도핑된 실리콘 기판 위에 n 전도성 타입으로 도핑된 에피텍시층이 형성되고, 에피텍시층 내에 도 4에 도시된 것처럼 PN 접합층이 형성된다. 다만, 인접하는 PN 접합층 간에 도 4의 화살표처럼 2차 광자들이 전달되는 크로스토크 현상이 발생할 수 있다. 인접하는 마이크로 픽셀 혹은 PN 접합층 사이에는 크로스토크를 감소시키기 위한 트랜치 구조(270)가 에피텍시층의 바닥면 근처까지 형성되어 있지만, 일부 광자는 이러한 트랜치 구조(270) 및 가드링을 넘어 다른 마이크로 픽셀에 광학적으로 영향을 미칠 수 있다.
종래에는 트랜치 구조(270)의 하부에 임플란트 공법을 이용하여 1014~1018cm-3의 도핑 농도를 가고 실리콘 기판과 반대인 전도성 타입의 가드링을 형성한다. 이어서, 트랜치 구조(270)의 내부에 실리콘 옥사이드를 충전시켜 마이크로 픽셀 간의 광학적인 분리 구조를 형성한다.
본 발명에서는, 빛 또는 광자가 트랜치 구조(270)를 통과하지 못하도록 작용하여 마이크로 픽셀 간의 크로스토크 현상을 감소시킬 수 있는 충전 물질(275)을 도 5에 도시된 것처럼 트랜치 구조(270)의 내부에 채운다.
이때, 충전 물질(275)은 폴리이미드(Polyimide)일 수 있고, 폴리이미드는 빛 또는 광자의 통과를 방해할 수 있다. 또한, 충전 물질(275)은 알루미늄(Al)일 수 있고, 알루미늄은 빛 또는 광자의 통과를 방지할 수 있다.
지금까지 상술한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 크로스토크를 감소시키는 실리콘 광증배관 소자는 트랜치 구조 내부에 마이크로 픽셀 간의 크로스토크 현상을 감소시키는 폴리이미드 또는 알루미늄과 같은 충전 물질을 채움으로써, 정확한 광측정이 가능해지고, 각 마이크로 픽셀의 광 검출 효율을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
210: 실리콘 기판 220: 에피텍시층
230: PN 접합층 240: 절연층
250: 저항 260: 알루미늄 구성
270: 트랜치 구조 275: 충전 물질
280: 가드링

Claims (5)

  1. 다수의 마이크로 픽셀로 이루어진 실리콘 광증배관 소자(Silicon Photomultiplier)에 있어서,
    상기 마이크로 픽셀들을 광학적으로 서로 분리시키는 다수의 트랜치 구조; 및
    상기 트랜치 구조 내부에 채워져 상기 마이크로 픽셀 간의 크로스토크 현상을 감소시키는 충전 물질을 포함하는 실리콘 광증배관 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜치 구조는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 따른 식각에 의해 형성되는 실리콘 광증배관 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜치 구조는 일자 구조, U자 구조, V자 구조 중 어느 하나의 형태로 형성되는 실리콘 광증배관 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 물질은 폴리이미드(Polyimide)인 실리콘 광증배관 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 물질은 알루미늄(Al)인 실리콘 광증배관 소자.
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