Pinned photodiode의 역할

2023년에 네이버 블로그에 포스팅한 글입니다.

ㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡ

출처 - Teranishi, Nobukazu. "Effect and limitation of pinned photodiode." IEEE Transactions on Electron Devices 63.1 (2015): 10-15.

Teranishi, Nobukazu. "Effect and limitation of pinned photodiode." IEEE Transactions on Electron Devices 63.1 (2015): 10-15.

IEDM에서 발표된 intived paper로 굉장히 좋은 내용을 담고 있다.

역시 invited paper은 모두 읽어봐야할 것 같다.

​

당연히 써야한다고 생각해서 크게 생각해보지 않았던 pinned photodiode 구조. 호기심이 생겨 간단하게마 파해쳐봤다.

​

Pinned photoiode구조는 4T pixel과 단짝으로 공정에 필수적으로 사용되는 요소이다.

​

Pinned photoiode의 장점은 크게 3가지가 있다.

​

1) photodiode의 potentioal 기울기 변경

Pinned photoiode가 사용되는 가장 주요한 이유이다. 기존에 P-type의 substrate를 사용할 경우, photoiode는 n도핑을 해주고 TR에도 채널을 형성해주기위해 n 도핑을 해준다. 이경우에는 아래 직접 그린 그림과 같이 photoiode와 floating diffusion사이의 potential이 거의 동일하게된다.

따라서 TR이 On으로 되어도 PD에 쌓인 전자들이 FD로 빠르고 온전하게 흘러가지 못하게 된다.

​

이를 개선하기 위해 PD에는 p-type의 도핑을 Si 표면에 해주게되면 PD의 전위 장벽 높아져 전자가 FD쪽으로 보다 수월하게 굴러 떨어지게된다.

언오피셜한 내용이긴 하나, 추가적으로 공부하며 알게된 내용으로 전자들은 실리콘 표면에 모이려는 성질이 있어 PD표면에만 p도핑을 해주어도 전위 장벽 기울기가 충분히 이루어져 Transfer gate를 on으로 바꾸어주기만해도 FD로 자연스레 전자가 모이게된다.

​

또한, 아래 그림에서 pixel의 계략도를 vertical하게 그려놓은 구조들을 보면 FD는 n+도핑 처리를 해둔것을 확인할 수 있다.

출처- 금오공대 천지민 교수님 IDEC 강의

이는 FD에 n++도핑을 통해 전위차를 더욱 극명하게 내어 PD에서 FD로 전자의 이동을 더 빠르고 온전하게 하기 위함이라 생각된다.

​

​

2) blue 파장대역의 감도 증가

실리콘의 흡수 계수로 인해 짧은 파장대역의 빛, 즉 450nm대역의 파장을 흡수하는 blue pixel의 경우 빛의 흡수가 실리콘 표면에서 이루어진다.

pinned photoiode는 실리콘 표면에 p-n junction을 만들어진 구조로도 볼 수 있는데, 표면에 depletion 영역을 형성해 E-H pair로 형성된 전자가 더욱 잘 축적되게 유도한다.

따라서 blue 파장대역의 빛으로 형성된 전자가 recombination 되지 않아 blue pixel의 감도가 올라가게된다.

​

하지만, 최근에는 BSI구조를 사용하기 때문에 P++도핑된 부분이 수광부로 사용되지 않는다.

출처- 금오공대 천지민 교수님 IDEC 강의

반전된 그림으로 이렇게 아래쪽에 위치하게되고, 최근에는 VTG구조를 사용해 n도핑을 깊게까지 해주는 방식으로 blue 파장대역의 감도를 올려준다.

​

따라서 blue 파장대역의 감도 증가는 FSI구조에 사용되는 픽셀에 한정해서 적용된다고 이해하는게 옳다고 본다.

​

​

3) dark current 개선

단결정 실리콘에서 Silicon surface는 defect의 커다란 원인중 하나이다.

나란히 배열되있는 전자배열이 인위적으로 잘렸으니 전자가 trap되고 풀려나가며 noise가 발생된다.

​

pinned photodiode의 경우, depletion 영역이 photodiode의 표면 조금 아래에 생성되어 실리콘 표면에 전자가 축적되지 않고, 실리콘 표면에 생성된 전자들은 p 영역에서 빠르게 recombination되어 dark current와 noise 개선에 효용성이 있다.

​

​

호기심 해결하는건 역시 재밌다