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문제 정의
- 본 연구에서는 7개의 광섬유 어레이로 구성되는 Scanner 타입의 광원에 대해 동작하는 단일 선형모드 InGaAs-APD 광검출기를 성공적으로 제작한 결과에 대해 보고한다.
- 본 연구에서는 LIDAR 시스템에 응용할 수 있는 초고속 대면적 APD를 이용한 광검출기 모듈을 제작하고, 그 특성을 측정하였다. 200 um InGaAs-APD 칩은 AlN 기판 상에 flip-chip bonding 방법으로 제작하였으며, chip-on-submount 상태 및 동작전압에서 1.
가설 설정
- 이 값을 10 mV 이상으로 출력시키기 위해서 피드백 저항은 7 kΩ 이상의 요건을 만족해야 한다. RC 시정수에 의한 Bandwidth를 고려하여 피드백 저항=7.5 kΩ으로 정하였다. 또 worst case를 고려하여 CAPD=2.
제안 방법
- 먼저 제작된 모듈의 noise 특성, 펄스 응답 특성을 조사하였으며 (그림 10)에 나타내었다. (그림 10)의 (a)는 모듈의 잡음 특성을 나타내는데 잡음 특성의 측정은 APD에 동작 바이어스 전압을 가한 상태에서 TIA 에 High-gain mode의 바이어스 전압을 인가하고 출력을 오실로스코프로 측정하였다. Gaussian 분포의 noise를 관찰할 수 있으며, 제작된 대부분의 모듈은 700-800 uV의 잡음 특성을 보였으며, (그림 10)의 (a)에 나타낸 데이터는 표준편차로 표현되는 잡음이 748 uV임을 알 수 있으며, 설계치인 1 mV보다 낮음을 알 수 있다.
- 제작된 APD 모듈의 펄스 입력광에 대한 특성을 조사하기 위해 광섬유의 한쪽 끝은 계측기와 연결하기 위한 커넥터로, 다른 끝은 Aspherical lens를 장착하여 APD 표면으로 광의 입사가 가능하도록 광섬유 케이블을 제작하여 사용하였다. 3차원 정렬이 가능한 x-y-z 스테이지를 이용하여 광섬유와 APD를 정렬한 후 각종 케이블과 이 시스템 전체를 체임버 내에 넣고 온도에 따른 특성도 아울러 조사하였다. (그림 9)에 테스트를 위한 셋업을 나타내었다.
- 그 위에 p-전극/n-전극을 동시에 형성하면 APD의 전면 공정이 완성된다. Backside lapping/polishing 후 SiNx AR coating공정, 패터닝 공정, Lift-off에 의한 전극 형성 공정을 수행한다. APD 칩은 500 um×500 um, 칩의 두께는 200 um이다.
- APD 칩은 Zn-확산 방법으로 제작하였다. S-doped(n+) InP 기판 상에 버퍼층, 광흡수층, 그레이딩층, 전기장 조절층, 증폭층과 p-확산층을 구성하는 window층, Contact-InGaAs층 및 InP cap층이 차례로 성장된 웨이퍼 상에 활성영역을 식각으로 에칭하고 Zn-확산을 실시하였다. Zn-확산은 MOCVD chamber에 DEZn를 흘리면서 수행하는 open tube 방식을 활용하였다.
- 광검출기는 수광 직경 200 um 이상을 갖는 APD 칩과 광전류를 증폭하는 증폭기 회로(TIA: Trans-impedance Amplifier)가 핵심 부품이고, 그 외 바이어스 공급회로, APD 보호회로, 잡음차단 필터, TEC 및 thermistor로 구성되며, 그림 2에 광검출기의 구성 및 기능 블록도를 나타내었다. TIA의 설계를 위해 APD 칩의 parameter를 분석하고 이로부터 TIA를 설계하였다. TIA 설계 및 제작에 관해서는 참고문헌 8에 상세히 기술되어 있다.
- [8] 이를 위해 TIA 단에서 High-gain mode와 이로부터 10 dB 감쇄 특성을 가진 Low-gain mode의 두 상태에서 각각 동작할 수 있도록 설계하였으며, 각 모드의 DR이 17 dB이상이므로 전체의 DR이 27 dB 이상을 만족하며, high-gain mode와 low-gain mode의 상태변화 시 이 변환이 빠른 시간 내에 실행되도록 설계하였다. 본 연구에서는 이득 변환이 one-step 방식으로 이루어지며, 참고문헌 [8]에 나타낸 이득 제어 방식은 기본 이득제어가 3 dB 간격의 다섯 스텝으로 이루어져 있어서 전체의 dynamic range는 32 dB로서 본 연구의 one-step 방식보다 조금 더 넓은 특성을 보이나 이득 제어 부분을 제외하고는 본 연구결과와 동일한 구조 및 특성을 갖는다.
- 세라믹 기판 상에는 TIA, 저항, 인덕터 및 캐패시터와 같은 각종 수동부품을 부착할 수 있는 패턴 회로가 제작되어 있다. 각 부품들이 부착되면 Window cap(Sapphire)을 저항용접 방법으로 부착하였다.
- 5 kΩ으로 정하였다. 또 worst case를 고려하여 CAPD=2.0 pF 일 때, TIA에 의한 잡음전류는 설계치(Ideal)가 73 nA, 온도 및 non-ideality를 고려한 최대잡음은 145 nA(worst case), 평균 115 nA를 갖도록 설계하였다.[8] 식 (1)의 APD에 의한 잡음은 광전류, 암전류 및 증폭에 의한 Shot noise에 해당하며, Excess noise factor, F(M), 가 곱해진 값으로 주어진다.
- 먼저 제작된 모듈의 noise 특성, 펄스 응답 특성을 조사하였으며 (그림 10)에 나타내었다. (그림 10)의 (a)는 모듈의 잡음 특성을 나타내는데 잡음 특성의 측정은 APD에 동작 바이어스 전압을 가한 상태에서 TIA 에 High-gain mode의 바이어스 전압을 인가하고 출력을 오실로스코프로 측정하였다.
- 본 연구에서 제작한 고속 광대역 광수신모듈(WBRM: Wide-Band Receiver Module)은 사용환경에 따라 수광하는 광파워가 급격히 변화하여도 동작할 수 있도록 dynamic range(DR)가 27 dB 이상으로 넓게 설계하였다.[8] 이를 위해 TIA 단에서 High-gain mode와 이로부터 10 dB 감쇄 특성을 가진 Low-gain mode의 두 상태에서 각각 동작할 수 있도록 설계하였으며, 각 모드의 DR이 17 dB이상이므로 전체의 DR이 27 dB 이상을 만족하며, high-gain mode와 low-gain mode의 상태변화 시 이 변환이 빠른 시간 내에 실행되도록 설계하였다.
- 제작된 APD 모듈의 펄스 입력광에 대한 특성을 조사하기 위해 광섬유의 한쪽 끝은 계측기와 연결하기 위한 커넥터로, 다른 끝은 Aspherical lens를 장착하여 APD 표면으로 광의 입사가 가능하도록 광섬유 케이블을 제작하여 사용하였다. 3차원 정렬이 가능한 x-y-z 스테이지를 이용하여 광섬유와 APD를 정렬한 후 각종 케이블과 이 시스템 전체를 체임버 내에 넣고 온도에 따른 특성도 아울러 조사하였다.
대상 데이터
- 5×1012 cm-2이다. Grading층은 InP와 InGaAs의 중간 밴드갭을 갖는 3층의 InGaAsP로 구성하였으며, 두께는 0.12 um로 설계하였다. 증폭이 가장 크게 일어나는 활성영역의 직경은 200 um이고 가드링을 포함한 소자의 직경은 233 um 이다.
- 광검출기 모듈은 APD칩, TIA칩, TEC, Thermistor 등으로 구성되는 핵심 TO 모듈과 이를 구동하는 회로 3종으로 구성된다. APD bias, Vcc 두 종, TIA gain control bias, TEC 바이어스(독립 GND), Thermistor, 아나로그 신호 출력 두 종(Data, Data bar) 등 총 12종의 lead pin이 필요하다.
이론/모형
- APD 칩은 Zn-확산 방법으로 제작하였다. S-doped(n+) InP 기판 상에 버퍼층, 광흡수층, 그레이딩층, 전기장 조절층, 증폭층과 p-확산층을 구성하는 window층, Contact-InGaAs층 및 InP cap층이 차례로 성장된 웨이퍼 상에 활성영역을 식각으로 에칭하고 Zn-확산을 실시하였다.
- S-doped(n+) InP 기판 상에 버퍼층, 광흡수층, 그레이딩층, 전기장 조절층, 증폭층과 p-확산층을 구성하는 window층, Contact-InGaAs층 및 InP cap층이 차례로 성장된 웨이퍼 상에 활성영역을 식각으로 에칭하고 Zn-확산을 실시하였다. Zn-확산은 MOCVD chamber에 DEZn를 흘리면서 수행하는 open tube 방식을 활용하였다. 이 때, DEZn의 유량, 농도 및 확산온도, 기판의 물질 및 표면상태 등이 매우 중요하며 기판의 도핑농도도 매우 중요한 파라미터가 된다.
- 다음 방열이 잘 되도록 TEC를 TO-header 상에 직접 부착하되 APD칩이 중앙에 오도록 TEC의 위치를 조절한다. 각종 회로가 제작된 세라믹 기판 회로(그림 4)에서 TEC 크기에 해당 부분은 고출력 레이저-cutting 방법으로 제거하였다. 세라믹 기판 상에는 TIA, 저항, 인덕터 및 캐패시터와 같은 각종 수동부품을 부착할 수 있는 패턴 회로가 제작되어 있다.
성능/효과
- 증폭 M을 증가시키면 Signal은 증가하게 되고, 잡음도 증가하게 된다. APD의 responsivity가 1.0 A/W 이상(설계치가 1.1A/W 이상)이고, Capacitance가 2.0 pF 이하(설계치는 1.7 pF)이므로 최악의 경우라 하더라도 1 mV 이내의 잡음전압 및 10 이상의 SNR을 충분히 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- (그림 10)의 (a)는 모듈의 잡음 특성을 나타내는데 잡음 특성의 측정은 APD에 동작 바이어스 전압을 가한 상태에서 TIA 에 High-gain mode의 바이어스 전압을 인가하고 출력을 오실로스코프로 측정하였다. Gaussian 분포의 noise를 관찰할 수 있으며, 제작된 대부분의 모듈은 700-800 uV의 잡음 특성을 보였으며, (그림 10)의 (a)에 나타낸 데이터는 표준편차로 표현되는 잡음이 748 uV임을 알 수 있으며, 설계치인 1 mV보다 낮음을 알 수 있다.
- (그림 12)에 나타낸 dynamic range는 High-gain mode와 Low-gain mode의 기울기가 다르게 나타났으며, 각 모드에서 매우 선형적임을 알 수 있고 따라서 기울기의 차이는 소프트웨어를 통해 충분히 보정할 수 있다. Total dynamic range는 27dB이고, 한 모드에서 dynamic range는 17dB 이상임을 확인하였다.
- 850 mV 이하의 잡음전압을 보였다. 또, 1 ns의 펄스폭에 대해 27 dB의 dynamic range, 150 nW의 MDS 신호에 대해 15 이상의 신호대 잡음비를 나타내었으며, 이는 높은 이득특성과 저 잡음 특성에 기인하는 것이다. TIA의 high-gain mode와 low-gain mode 사이의 변환은 500 ns 이내에 이루어졌다.
- 대역폭이 넓으면 입력 잡음이 증가하므로 좋지 않고, 좁게 설계-제작되면 수신감도(MDS)가 나쁘게 된다. 본 연구에서는 APD의 정전용량을 2.0 pF～2.2 pF(최악의 경우)으로 두고 설계하였기 때문에 APD의 정전용량이 1.7 pF 이하로 줄어들게 됨에 따라 대역폭이 넓어진 것으로 보이며, 입력잡음 또한 줄어든 것으로 분석되었다. 상용화된 200 um APD의 경우 대부분 2.
- [8] 이를 위해 TIA 단에서 High-gain mode와 이로부터 10 dB 감쇄 특성을 가진 Low-gain mode의 두 상태에서 각각 동작할 수 있도록 설계하였으며, 각 모드의 DR이 17 dB이상이므로 전체의 DR이 27 dB 이상을 만족하며, high-gain mode와 low-gain mode의 상태변화 시 이 변환이 빠른 시간 내에 실행되도록 설계하였다. 본 연구에서는 이득 변환이 one-step 방식으로 이루어지며, 참고문헌 [8]에 나타낸 이득 제어 방식은 기본 이득제어가 3 dB 간격의 다섯 스텝으로 이루어져 있어서 전체의 dynamic range는 32 dB로서 본 연구의 one-step 방식보다 조금 더 넓은 특성을 보이나 이득 제어 부분을 제외하고는 본 연구결과와 동일한 구조 및 특성을 갖는다. (그림 12)에 제작된 모듈의 입력 광펄스에 대한 출력펄스를 나타내었고, (그림 13)에 이득변환 시간을 나타내었다.
- 7 pF 이하의 정전용량과, 10 nA의 암전류 특성을 보였다. 자체 설계-제작한 TIA는 7.5 kOhm의 feedback impedance를 보였으며, 이를 이용한 모듈의 제작 결과 0.850 mV 이하의 잡음전압을 보였다. 또, 1 ns의 펄스폭에 대해 27 dB의 dynamic range, 150 nW의 MDS 신호에 대해 15 이상의 신호대 잡음비를 나타내었으며, 이는 높은 이득특성과 저 잡음 특성에 기인하는 것이다.
- 또, 그림 8에는 C-V 값을 나타내었다. 제작된 APD는 56-62V 분포의 항복전압을 나타내었으며, 그림 7로부터 이 APD의 항복전압은 56 V 근처이고, 32-33 V 사이에서 광전류의 급격한 상승이 있으며, 이로부터 InGaAs 흡수층의 punch-through 전압이 32 V 근처임을 알 수 있다. 항복 전압의 90%에 해당하는 인가전압에서 정의되는 암전류는 10～20 nA를 보였다.
후속연구
- TIA의 high-gain mode와 low-gain mode 사이의 변환은 500 ns 이내에 이루어졌다. 이러한 특성들은 저자들이 아는 한 최고의 성능을 나타낸 것으로 설계 및 제작이 잘 이루어진 것이며 향후 LIDAR/LADAR 시스템 기술의 발전에 크게 이바지할 것으로 생각된다.
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