JP2001177142A

JP2001177142A - 受光素子

Info

Publication number: JP2001177142A
Application number: JP35777299A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Kitatani; 佳之北谷; Seiji Sakata; 成司坂田; Kenji Makino; 健二牧野; Akimasa Tanaka; 章雅田中
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】熱膨張係数の違いによるヘテロ接合界面の歪
みが抑制された短波長側の受光感度が高い化合物半導体
のヘテロ接合を用いた受光素子を提供する。【解決手段】化合物半導体を積層して形成される受光
素子であって、入射光を吸収して電気信号に変換する光
吸収層３と、光吸収層３の入射光の入射側に成長された
キャップ層４と、キャップ層４の入射光の受光面の周辺
に形成され、光吸収層３と同じ材料からなるキャップ層
４よりも厚いコンタクト層５とを備え、光吸収層３のキ
ャップ層４との界面近傍と、キャップ層３およびコンタ
クト層５に不純物が高濃度にドープされることにより高
濃度不純物領域７が形成されていることを特徴とする。
これにより、構成する材料の熱膨張係数の差によるキャ
ップ層４と光吸収層３およびコンタクト層５とのヘテロ
接合界面における熱膨張係数の差による歪みを抑制する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体のヘ
テロ接合を用いた受光素子に係り、特に詳細には、入射
光の受光面に薄いキャップ層を設けた受光素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体のヘテロ接合を用いた受光
素子としてＰＩＮフォトダイオード（以下、ＰＤ）が知
られており、その断面構造を図４、図５および図６に示
す。図４および図５に示すＰＤは、特許第２８４４０９
７号公報に開示されており、ｎ ^-型ＩｎＧａＡｓからな
る光吸収層３の入射光が入射する側に、ｎ型ＩｎＰから
なるキャップ層４をエピタキシャル成長させ、入射光の
受光領域において、エッチングによりキャップ層４の厚
さを０．１μｍ以下に薄くすることにより、短波長側の
光に対して高い感度を有するようにしている。また、図
６に示すＰＤは、特公平２−２３１７７５号公報に開示
されており、特許第２８４４０９７号公報に開示されて
いるＰＤと同様に、光吸収層３の入射光が入射する側
に、厚さ０．１μｍ以下のキャップ層４をエピタキシャ
ル成長させることにより、短波長側の光に対して高い感
度を有するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図６に示すＰ
Ｄの場合、キャップ層４が非常に薄いため、キャップ層
４と光吸収層３の熱膨張係数の差による歪みの応力にキ
ャップ層４が耐え得なくなるといった問題があった。ま
た、図４および図５に示すＰＤの場合、入射光の受光領
域においてキャップ層４をエッチングし、段差構造とし
た部分に熱膨張係数の差による歪みが集中してしまい、
更に、図５に示すＰＤの場合、キャップ層４とＩｎＧａ
Ａｓからなるコンタクト層１０の界面にも熱膨張係数の
差による歪みが生じてしまうといった問題があった。

【０００４】そこで本発明は、化合物半導体のヘテロ接
合を用いたヘテロ接合界面の歪みを抑制することがで
き、これにより短波長側の光に対する受光感度を高くす
ることが可能な受光素子を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の受光素子は、化合物半導体を積層して形成
される受光素子であって、入射光を吸収して電気信号に
変換する光吸収層と、光吸収層の入射光の入射側に成長
され、光吸収層よりエネルギーバンドギャップの大きい
キャップ層と、キャップ層の入射光の受光面の周辺に形
成され、光吸収層と同じ材料からなるキャップ層よりも
厚いコンタクト層とを備え、光吸収層のキャップ層との
界面近傍と、キャップ層およびコンタクト層に不純物が
高濃度にドープされることにより高濃度不純物領域が形
成されていることを特徴とする。

【０００６】このように、本発明の受光素子によれば、
光吸収層とコンタクト層が同一材料で形成され、それぞ
れの膜厚はキャップ層よりも厚く、その構造がキャップ
層を挟み込んだサンドイッチ構造となっているため、熱
膨張係数の差によるキャップ層への歪みの影響を抑制で
きる。また、キャップ層の膜厚の制御は、例えばエピタ
キシャル成長時に行なうことができるため、膜厚の制御
性がよく、均一な膜厚のキャップ層が得られる。更に、
コンタクト層が厚く成長されているため、受光素子の受
光領域に対して横方向からの入射光がコンタクト層で吸
収されることにより、横方向からの漏れ電流を抑制する
ことができる。

【０００７】また、本発明の受光素子は、コンタクト層
上に成長されたキャップ層と同じ材料からなる保護層を
更に備え、高濃度不純物領域がコンタクト層から保護層
に連続するように形成されていることを特徴としてもよ
い。コンタクト層と反射防止膜との間にコンタクト層よ
りもエネルギーギャップの大きい保護層が挿入されてい
るため、表面再結合電流を抑制でき、暗電流を小さくす
ることができるまた、本発明の受光素子は、キャップ層
の厚さが０．１μｍ以下であることを特徴としてもよ
い。キャップ層の厚さが０．１μｍ以下であることによ
り、短波長側の受光感度をより高くすることができる。

【０００８】また、本発明の受光素子は、コンタクト層
の厚さがキャップ層の５倍以上であることを特徴として
もよい。コンタクト層の厚さがキャップ層の５倍以上で
あることにより、キャップ層への歪みの影響をより抑制
できる。

【０００９】さらに、本発明の受光素子は、コンタクト
層の厚さがキャップ層の１５倍以下であることを特徴と
してもよい。コンタクト層の厚さがキャップ層の１５倍
以下であることにより、受光素子の特性を劣化させるこ
となく、キャップ層への歪みの影響をより抑制できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
に係る実施形態について説明する。ただし、同一要素に
は同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【００１１】図１に、第１実施形態に係る受光素子の断
面図を示す。第１実施形態に係る受光素子は、ｎ⁺型Ｉ
ｎＰからなる基板１と、基板１表面に成長された膜厚が
０．５〜２μｍのｎ^-型またはｎ型ＩｎＰからなるバッ
ファ層２と、バッファ層２上に成長された膜厚が１．５
〜４μｍのｎ^-型ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層３と、
光吸収層３上に成長された膜厚が０．１μｍ以下の光吸
収層３よりもバンドギャップの大きいｎ^-型ＩｎＰから
なるキャップ層４と、キャップ層４上の例えばφ１ｍｍ
程度の大きさの受光領域周辺に形成された膜厚が０．４
〜０．６μｍ（ただし、キャップ層４の５倍から１５
倍、最適は１０倍）のｎ^-型ＩｎＧａＡｓからなるコン
タクト層５とを備えている。ここで、ｎ^-型Ｉｎ_xＧａ
_1-xＡｓからなる光吸収層３およびコンタクト層５の組
成比ｘは、ＧａＡｓに格子整合するｘ＝０．５３を含む
ｘ＝０．５〜０．６の範囲である。

【００１２】更に、第１実施形態に係る受光素子は、キ
ャップ層４上およびコンタクト層５の露出表面に形成さ
れたＳｉＮからなる反射防止膜６と、光吸収層３のキャ
ップ層４との界面近傍と、キャップ層４およびコンタク
ト層５とにＺｎが高濃度にドープされることにより形成
されたｐ⁺型の高濃度不純物領域７と、コンタクト層５
上に形成されたｐ型オーミック電極である電極８と、基
板１裏面に形成されたｎ型オーミック電極である電極９
とを備えている。ここで、電極８の材料は、例えばＣｒ
／ＡｕまたはＡｕＺｎ／Ａｕであり、電極９の材料は、
例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕである。

【００１３】図１に示される第１実施形態に係る受光素
子の構造によれば、光吸収層３とコンタクト層５が同一
材料で形成され、コンタクト層５はキャップ層４の膜厚
よりも５〜１５倍の厚さである。また、キャップ層４
は、光吸収層４とコンタクト層５によってサンドイッチ
構造とされており、更に、受光領域がφ１ｍｍ程度の大
きさであるため、熱膨張係数の差によるＩｎＰからなる
キャップ層４とＩｎＧａＡｓからなる光吸収層３および
コンタクト層５とのヘテロ界面での歪みが抑制される。

【００１４】また、キャップ層４の膜厚の制御は、結晶
成長時に行うことができるため、膜厚の制御性がよく、
厚さ０．１μｍ以下の均一なキャップ層４が得られる。
そのため、受光素子作製の歩留まりもよい。また、電極
８が膜厚の厚いコンタクト層５上に形成されるため、ス
パイクによる特性劣化の心配がない。また、ＩｎＰより
も導電性がよいＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層５上
に電極８が形成されているため、応答特性にも優れてい
る。

【００１５】更に、コンタクト層５が厚く成長されてい
るため、受光素子の受光領域に対して横方向からの入射
光がコンタクト層５で吸収されることにより、横方向か
らの漏れ電流を抑制することができる。また、キャップ
層４への直接のＺｎのドーピングは制御が難しいが、コ
ンタクト層５を介してのＺｎのドーピングは比較的制御
が容易であり、薄いキャップ層４へのＺｎのドーピング
を制御よく行うことができる。

【００１６】ここで、図１を参照して、第１実施形態に
係る受光素子の作製方法について説明する。まず、基板
１表面に、バッファ層２、光吸収層３、キャップ層４、
コンタクト層５を順次エピタキシャル成長させる。次
に、拡散保護層であるＳｉＮなどをプラズマＣＶＤなど
によってコンタクト層５上に形成し、高濃度不純物領域
７を形成するためのＺｎドーピングの窓となる領域のＳ
ｉＮを除去する。そして、その領域にＺｎをドーピング
することによって、高濃度不純物領域７を形成する。次
に、拡散防止膜であるＳｉＮを除去し、受光領域を形成
したい領域以外にフォトレジストなどのマスクを形成す
る。そして、選択性エッチャント（例えば、Ｈ₂ＳＯ₄：
Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝３：１：１）によるエッチングを行う
ことにより受光領域に対応する領域のコンタクト層５を
除去し、受光領域のキャップ層４を露出させる。次に、
プラズマＣＶＤなどによって、キャップ層４およびコン
タクト層５の露出表面に反射防止膜６を形成する。そし
て、コンタクト層５の表面に形成された反射防止膜６
に、電極形成用の穴部を形成し、穴部に電極８を形成す
る。次に、基板１裏面に電極９を形成する。これより、
第１実施形態に係る受光素子が作製される。

【００１７】なお、第１実施形態はこれに限られるもの
ではない。第１実施形態にかかる受光素子の作製方法に
おいて、コンタクト層５をキャップ層４上に結晶成長
し、受光領域に対応する領域のコンタクト層５を選択エ
ッチングによって除去することにより、受光領域に対応
する領域のキャップ層４を露出させたが、キャップ層４
上の受光領域以外の領域にコンタクト層５を選択成長す
ることにより、受光領域に対応する領域のキャップ層４
を露出させてもよい。

【００１８】次に、図２に、第２実施形態に係る受光素
子の断面図を示す。図２に示すように、第２実施形態に
係る受光素子の第１実施形態に係る受光素子との構造の
違いは、コンタクト層５上に膜厚が０．１μｍ以下のｎ
^-型ＩｎＰからなる保護層１０が形成されている点のみ
である。

【００１９】図２に示す第２実施形態に係る受光素子の
構造によれば、コンタクト層５と反射防止膜６との間に
コンタクト５層よりもエネルギーギャップの大きい保護
層１０が挿入されているため、表面再結合電流を抑制で
き、暗電流を小さくすることができる。

【００２０】また、図２に示される第２実施形態に係る
受光素子の構造によれば、光吸収層３とコンタクト層５
が同一材料で形成され、コンタクト層５はキャップ層４
の膜厚よりも５〜１５倍の厚さである。また、キャップ
層４は、光吸収層４とコンタクト層５によってサンドイ
ッチ構造とされており、更に、受光領域がφ１ｍｍ程度
の大きさであるため、熱膨張係数の差によるＩｎＰから
なるキャップ層４とＩｎＧａＡｓからなる光吸収層３お
よびコンタクト層５とのヘテロ界面での歪みが抑制され
る。

【００２１】更に、コンタクト層５を厚くエピタキシャ
ル成長しているため、受光素子の受光領域に対して横方
向からの入射光がコンタクト層５で吸収されることによ
り、横方向からの漏れ電流を抑制することができる。

【００２２】第２実施形態に係る受光素子の作製方法に
は、第１実施形態の受光素子の作製方法に、コンタクト
層５上に保護層１０を成長する工程と、高濃度不純物領
域７形成後に入射光の受光領域に対応する保護層１０の
領域を除去する工程とが加えられる。なお、第１実施形
態の受光素子作製方法においては、受光領域を形成する
ための選択エッチャントによるコンタクト層５の除去す
るプロセスで、受光領域以外に形成されているフォトレ
ジスト等のマスクがエッチャントに溶解し、受光領域が
大きくなってしまう可能性がある。しかし、第２実施形
態の受光素子の構造において、コンタクト層５上に保護
層１０が設けられているため、選択エッチャントに溶解
しないＩｎＰからなる保護層１０をマスクとして選択エ
ッチングを行うことにより、受光領域の拡大を防ぐこと
ができ、受光領域の面積が正確に制御された受光素子を
得ることができる。

【００２３】なお、第２実施形態はこれに限られるもの
ではない。第２実施形態にかかる受光素子の作製方法に
おいて、コンタクト層５および保護層１０をキャップ層
４上に結晶成長し、受光領域に対応した領域を除去した
保護層１０をマスクとし、受光領域に対応する領域のコ
ンタクト層５を選択エッチングによって除去することに
より、受光領域に対応する領域のキャップ層４を露出さ
せたが、キャップ層４上の受光領域以外の領域にコンタ
クト層５および保護層１０を選択成長することにより、
受光領域に対応する領域のキャップ層４を露出させても
よい。

【００２４】図３に、第３実施形態に係る受光素子の断
面図を示す。第３実施形態に係る受光素子は、ｎ⁺型Ｇ
ａＳｂからなる基板１１と、基板１１表面に成長された
膜厚が１μｍ以上のＧａＳｂからなるバッファ層１２
と、バッファ層１２上に成長された膜厚が２μｍ以上の
ｎ^-型ＩｎＡｓＳｂからなる光吸収層１３と、光吸収層
１３上に成長された膜厚が０．１μｍ以下の光吸収層１
３よりもバンドギャップの大きいｎ^-型ＧａＳｂからな
るキャップ層１４と、キャップ層１４上の例えばφ１ｍ
ｍ程度の大きさの受光領域周辺に形成された膜厚が１μ
ｍ以下（ただし、キャップ層１４の５倍から１５倍、最
適は１０倍）のｎ^-型ＩｎＡｓＳｂからなるコンタクト
層１５とを備えている。ここで、ｎ^-型ＩｎＡｓ_1-xＳｂ
_xからなる光吸収層１３およびコンタクト層１５の組成
比ｘは、ＧａＳｂに格子整合するｘ＝０．０８９を含む
ｘ＝０〜０．１９２の範囲である。

【００２５】さらに、第３実施形態に係る受光素子は、
キャップ層１４上およびコンタクト層１５上に形成され
たＳｉＮからなる反射防止膜１６と、光吸収層１３のキ
ャップ層１４との界面近傍と、キャップ層１４およびコ
ンタクト層１５にＺｎが高濃度にドープされることによ
り形成されたｐ⁺型の高濃度不純物領域１７と、コンタ
クト層１５上に形成されたｐ型オーミック電極である電
極１８と、基板１１裏面に形成されたｎ型オーミック電
極である電極１９とを備えている。ここで、電極１８の
材料は、例えばＴｉ／ＰｔまたはＣｒ／Ａｕであり、電
極１９の材料は、例えばＳｎ／Ｐｔである。

【００２６】図３に示される第３実施形態に係る受光素
子の構造によれば、光吸収層１３とコンタクト層１５が
同一材料で形成され、コンタクト層１５はキャップ層１
４の膜厚よりも５〜１５倍の厚さである。また、キャッ
プ層１４は、光吸収層１４とコンタクト層１５によって
サンドイッチ構造とされており、更に、受光領域がφ１
ｍｍ程度の大きさであるため、熱膨張係数の差によるＧ
ａＳｂからなるキャップ層１４とＩｎＡｓＳｂからなる
光吸収層１３およびコンタクト層１５とのヘテロ界面で
の歪みが抑制される。

【００２７】更に、キャップ層１４の膜厚の制御は、結
晶成長時に行うことができるため、膜厚の制御がよく、
厚さ０．１μｍ以下の均一なキャップ層１４が得られ
る。そのため、受光素子作製の歩留まりもよい。また、
電極１８が膜厚の厚いコンタクト層１５上に形成される
ため、スパイクによる特性劣化の心配がない。また、Ｇ
ａＳｂよりも導電性がよいＩｎＡｓＳｂからなるコンタ
クト層１５上に電極１８が形成されているため、応答特
性にも優れている。また、コンタクト層１５を厚くエピ
タキシャル成長しているため、受光素子の受光領域に対
して横方向からの入射光がコンタクト層１５で吸収され
ることにより、横方向からの漏れ電流を抑制することが
できる。

【００２８】第３実施形態の受光素子の作製方法である
が、第１実施形態と材料が違うのみで作製方法は同じで
あるので、説明は省略する。ただし、第３実施形態にお
いて、選択エッチャントにはＨＦ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝
１：１：８を用いている。

【００２９】第３実施形態に係る受光素子は、第１およ
び第２実施形態に示した受光素子に比べ、エネルギーバ
ンドギャップが小さい材料で構成されており、より長波
長側の光に対して受光感度をもつ受光素子となる。

【００３０】なお、第３実施形態はこれに限られるもの
ではない。例えばコンタクト層１５上にＧａＳｂからな
る保護層を設けてもよい。保護層を設けることにより、
選択エッチャントに溶解しないＧａＳｂからなる保護層
をマスクとして選択エッチングを行うことが可能で、受
光領域の拡大を防ぐことができ、受光領域の面積が正確
に制御された受光素子を得ることができる。また、第３
実施形態にかかる受光素子の作製方法において、コンタ
クト層１５をキャップ層１４上に結晶成長し、受光領域
に対応する領域のコンタクト層１５を選択エッチングに
よって除去することにより、受光領域のキャップ層１４
を露出させたが、キャップ層１４上の受光領域以外の領
域にコンタクト層１５を選択成長することにより、受光
領域のキャップ層４を露出させてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
受光素子によれば、光吸収層とコンタクト層が同一材料
で形成され、それぞれの膜厚はキャップ層のよりも厚
く、その構造がキャップ層を挟み込んだサンドイッチ構
造となっているため、熱膨張係数の差によるキャップ層
への歪みの影響を抑制できる。これにより、短波長側の
光に対して高い感度を有する受光素子を得ることができ
る。また、コンタクト層が厚く成長されているため、受
光素子の受光領域に対して横方向からの入射光がコンタ
クト層で吸収されることにより、横方向からの漏れ電流
を抑制することができる。これにより、従来よりも優れ
た受光特性の受光素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る受光素子の断面図である。

【図２】第２実施形態に係る受光素子の断面図である。

【図３】第３実施形態に係る受光素子の断面図である。

【図４】従来のＰＩＮフォトダイオードの断面図であ
る。

【図５】従来のＰＩＮフォトダイオードの断面図であ
る。

【図６】従来のＰＩＮフォトダイオードの断面図であ
る。

【符号の説明】

１…基板、２…バッファ層、３…光吸収層、４…キャッ
プ層、５…コンタクト層、６…反射防止膜、７…高濃度
不純物領域、８…電極、９…電極、１０…保護層、１１
…基板、１２…バッファ層、１３…光吸収層、１４…キ
ャップ層、１５…コンタクト層、１６…反射防止膜、１
７…高濃度不純物領域、１８…電極、１９…電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧野健二静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者田中章雅静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 5F049 MA03 MB07 NA01 NA05 NA13 NA20 PA14 QA17 SE05 SS04 SZ03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化合物半導体を積層して形成される受光
素子であって、入射光を吸収して電気信号に変換する光吸収層と、前記光吸収層の前記入射光の入射側に形成され、前記光
吸収層よりエネルギーバンドギャップの大きいキャップ
層と、前記キャップ層の前記入射光の受光面の周辺に形成さ
れ、前記光吸収層と同じ材料からなる前記キャップ層よ
りも厚いコンタクト層とを備え、前記光吸収層の前記キ
ャップ層との界面近傍と、前記キャップ層および前記コ
ンタクト層とに不純物が高濃度にドープされることによ
り高濃度不純物領域が形成されていることを特徴とする
受光素子。
【請求項２】前記コンタクト層上に形成された前記キ
ャップ層と同じ材料からなる保護層を更に備え、前記高
濃度不純物領域が前記コンタクト層から前記保護層に連
続するように形成されていることを特徴とする請求項１
に記載の受光素子。
【請求項３】前記キャップ層の厚さが０．１μｍ以下
であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
の受光素子。
【請求項４】前記コンタクト層の厚さが前記キャップ
層の５倍以上であることを特徴とする請求項１から請求
項３いずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】前記コンタクト層の厚さが前記キャップ
層の１５倍以下であることを特徴とする請求項１から請
求項４いずれか１項に記載の受光素子。
【請求項６】前記光吸収層および前記コンタクト層が
ＩｎＧａＡｓからなり、前記キャップ層がＩｎＰからな
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載
の受光素子。