The shortwave infrared band(SWIR) of 0.9 ~ 1.7 μm has received a lot of attention due to its advantages of the atmospheric transmission and visible-like imaging characteristics. The SWIR detectors based on planar-type InGaAs/InP PIN photodiode arrays are widely used in various SWIR imaging applications such as surveillance, weather analysis, safety and night-driving systems because of their low dark current characteristic and high quantum efficiency. Among these figures of merit for SWIR detectors, crosstalk and detectivity are important performance parameters for a high-quality image. In order to reduce the dark current and crosstalk characteristics, a guard-ring with various depth on photodiode arrays has been developed to suppress lateral diffusion of carriers. The planar-type InGaAs/InP photodiodes with a deep guard-ring have been fabricated using the typical double Zn diffusion process. However, it is difficult to fabricate the deep guard-ring structure using the double diffusion process because the fabrication processes of the Zn diffusion method are very complicated and time-consuming. In addition, the double-diffused structure usually suffers from poor reproducibility because of the diffusion depth variation in the pixel and guard-ring region. In order to overcome these problems, the photodiodes with a deep guard-ring structure based on a single-diffusion process should be developed to reduce the complicated double diffusion sequences to a single process step.
In this thesis, an InP-based low crosstalk PIN photodiode with a deep guard-ring has been proposed and developed using a novel single-diffusion technique with the performance characteristics comparable to the conventional photodiodes. At first, a single-diffusion process using a thin film, which is a diffusion suppressor, has been developed to obtain different diffusion depths of a pixel and guard-ring. While diffusion depth of the pixel should be 1 μm to maintain the high quantum efficiency, a deeper diffusion depth of the guard-ring is required to achieve low crosstalk characteristic. In order to obtain variable guard-ring depth, it is needed to optimize the RTA conditions and the thickness of the thin film. Among these conditions, guard-ring depths of 1.4, 1.6 and 1.8 μm have been investigated for optimization by the thin film thickness of 1, 2 and 3 nm and RTA conditions, respectively.
Next, InP-based PIN photodiodes with variable diffusion depths of 1.4, 1.6, and 1.8 μm have been fabricated by using the single-diffusion process. The measurement results of fabricated photodiodes with guard-ring depths of 1.4, 1.6, 1.8 μm at a bias of - 0.1 V show the detectivity of $9.34 =
times 10^{12}$, $8.84x10^{12}$, and $5.88x10^{12} cmHz&{1/2}/W$ and the crosstalk characteristics of 2.87, 2.31 and 1.60 %, respectively.
Consequently, the InP-based low-crosstalk PIN photodiode with the deep guard-ring has been demonstrated. The proposed photodiode with the guard-ring depth of 1.6 μm has demonstrated excellent overall performances of high detectivity of $8.84x10^{12}$cmHz1/2/W and low crosstalk characteristic of 2.31 %. The results clearly show the compatibility of the proposed deep guard-ring structure for various SWIR imaging applications.
0.9 ~ 1.7 ㎛의 단파 적외선 대역 (SWIR)은 대기 투과성 및 가시적 인 이미징 특성의 장점 때문에 많은 관심을 받았다. 평면 형 InGaAs / InP PIN 포토 다이오드 어레이를 기반으로하는 SWIR 검출기는 암전류 특성이 낮고 양자 효율이 높기 때문에 감시, 기상 분석, 안전 및 야간 주행 시스템과 같은 다양한 SWIR 이미징 애플리케이션에 널리 사용됩니다. SWIR 검출기에 대한 이러한 성능 지수 중, 누화 및 검출은 고품질 이미지의 중요한 성능 매개 변수입니다. 암전류와 누화 특성을 줄이기 위해 캐리어의 횡 방향 확산을 억제하기 위해 포토 다이오드 어레이에 다양한 깊이의 가드 링이 개발되었습니다. 깊은 가드 링이있는 평면형 InGaAs / InP 포토 다이오드는 일반적인 이중 Zn 확산 공정을 사용하여 제작되었습니다. 그러나 Zn 확산법의 제조 공정이 매우 복잡하고 시간이 많이 걸리기 때문에 이중 확산 공정을 사용하여 깊은 가드 링 구조를 제작하는 것이 어렵다. 또한, 이중 확산 구조는 일반적으로 픽셀 및 가드 링 영역의 확산 깊이 변화로 인해 재현성이 떨어진다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해, 단일 확산 공정에 기초한 깊은 가드 - 링 구조를 갖는 포토 다이오드는 복잡한 이중 확산 시퀀스를 단일 공정 단계로 감소시키기 위해 개발되어야한다.
이 논문에서는 기존의 포토 다이오드와 비교할 수없는 성능 특성을 가진 새로운 싱글 - 디퓨전 기술을 사용하여 깊은 가드 링이있는 InP 기반의 낮은 누화 PIN 포토 다이오드가 제안 및 개발되었다. 우선 확산 방지막 인 박막을 이용한 단일 확산 공정이 픽셀과 가드 링의 서로 다른 확산 깊이를 얻기 위해 개발되었다. 높은 양자 효율을 유지하기 위해서는 픽셀의 확산 깊이는 1μm이어야하지만, 누화 특성을 낮추려면 가드 링의 더 깊은 확산 깊이가 필요합니다. 가변 가드 링 깊이를 얻기 위해서는 RTA 조건과 박막의 두께를 최적화해야한다. 이 조건들 중에서 1.4, 1.6 및 1.8 μm의 가드 링 깊이가 각각 1, 2 및 3 nm의 박막 두께와 RTA 조건에 의한 최적화를 위해 조사되었다.
다음으로 1.4, 1.6 및 1.8 μm의 다양한 확산 깊이를 갖는 InP 기반 PIN 포토 다이오드가 단일 확산 공정을 사용하여 제작되었다. -0.1V의 바이어스에서 가드 링 깊이가 1.4, 1.6, 1.8㎛ 인 제작 된 포토 다이오드의 측정 결과는 9.34x1012, 8.84x1012 및 5.88x1012cmHz1 / 2 / W의 검출도와 2.87의 크로스 토크 특성을 나타내 었으며, 2.31 % 및 1.60 %로 나타났다.
결과적으로 깊은 가드 링이있는 InP 기반의 낮은 누화 PIN 포토 다이오드가 시연되었습니다. 가드 링 깊이가 1.6 μm 인 제안 된 포토 다이오드는 8.84x1012 cmHz1 / 2 / W의 높은 검출 성능과 2.31 %의 낮은 크로스 토크 특성을 나타내는 탁월한 성능을 보여 주었다. 결과는 다양한 SWIR 영상 응용을위한 제안 된 심층 가드 링 구조의 호환성을 명확하게 보여줍니다.
