JP2001339093A - Phototransistor and phtocoupler provided therewith - Google Patents

Phototransistor and phtocoupler provided therewith

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JP2001339093A
JP2001339093A JP2000157419A JP2000157419A JP2001339093A JP 2001339093 A JP2001339093 A JP 2001339093A JP 2000157419 A JP2000157419 A JP 2000157419A JP 2000157419 A JP2000157419 A JP 2000157419A JP 2001339093 A JP2001339093 A JP 2001339093A
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JP
Japan
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layer
base
phototransistor
emitter
base layer
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Withdrawn
Application number
JP2000157419A
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Japanese (ja)
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Soji Nakajima
聡司 中島
Masaru Kubo
勝 久保
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to set impurity concentration in a base to be high while maintaining a high DC current amplification factor. SOLUTION: In this phototransistor 100, a resistor 11 is incorporated between the base 13 and an emitter 14. The base layer 13 is constituted of an Si1-XGeX (x>0) layer.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光励起によるスイ
ッチング素子として、光センサや光結合装置等に用いら
れるフォトトランジスタ、及びこれを内蔵したフォトカ
プラに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a phototransistor used as a switching element by photoexcitation for use in an optical sensor or an optical coupling device, and a photocoupler incorporating the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】フォトトランジスタにおいて、一般に、
コレクタ・エミッタ間降伏電圧VCEは下記の式(1)に
より求められる。
2. Description of the Related Art In a phototransistor, generally,
The collector-emitter breakdown voltage V CE is obtained by the following equation (1).

【0003】 VCE≒VCBn√hFE (1) (VCE:コレクタ・エミッタ間降伏電圧、VCB:コレク
タ・ベース間降伏電圧、hFE:直流電流増幅率、n≒
3〜6) 式(1)から分かるように、コレクタ・エミッタ間降伏
電圧VCEは、直流電流増幅率(hFE)の増大に従って
低下する。これは、コレクタ・ベース接合で発生した暗
電流がhFE倍に増幅され、これがなだれ降伏過程を引
き起こすためである。したがって、通常、所望のコレク
タ・エミッタ間降伏電圧を得るために、必然的に直流電
流増幅率の範囲の上限を制限するが、そうすると直流電
流増幅率の上限に対応して出力の限界が制限される。
[0003] V CE ≒ V CB / n √hFE (1) (V CE: Collector-emitter breakdown voltage, V CB: collector-base breakdown voltage, hFE: current transfer ratio, n ≒
3-6) As can be seen from equation (1), the collector-emitter breakdown voltage V CE decreases as the DC current gain (hFE) increases. This is because the dark current generated at the collector-base junction is amplified by hFE times, which causes an avalanche breakdown process. Therefore, usually, in order to obtain a desired collector-emitter breakdown voltage, the upper limit of the range of the DC current amplification factor is necessarily limited. However, the output limit is limited corresponding to the upper limit of the DC current amplification factor. You.

【0004】これを克服するための手段として、ベース
・エミッタ間に抵抗を内蔵する技術が知られている。図
10は、ベース・エミッタ間に抵抗を内蔵した従来のフ
ォトトランジスタの断面図である。以下に、その形成方
法を述べながら構成の説明を行う。
As a means for overcoming this, there is known a technique of incorporating a resistor between a base and an emitter. FIG. 10 is a sectional view of a conventional phototransistor having a built-in resistor between the base and the emitter. The configuration will be described below while describing the formation method.

【0005】まず、N型シリコン(Si)層10aとN
-型シリコン層10bによるシリコン基板10に、イオ
ン注入法等を用いてボロン等のP型不純物イオンを選択
的に注入することにより、P型抵抗層11を形成する。
さらに、P型不純物イオンの選択的注入を繰り返し、P
+型ベース層113を形成する。このとき、抵抗層11
の一端とベース層113は、図示されていないが互いに
接続されている。
First, an N-type silicon (Si) layer 10a and N
The P-type resistive layer 11 is formed by selectively implanting P-type impurity ions such as boron into the silicon substrate 10 using the-type silicon layer 10b by using an ion implantation method or the like.
Further, the selective implantation of P-type impurity ions is repeated,
The + type base layer 113 is formed. At this time, the resistance layer 11
Are connected to each other (not shown).

【0006】次に、ベース層113の表面を酸化、エッ
チングした後、選択的にリン等のN型不純物イオンを熱
拡散により注入することで、ベース層113の表面にN
+型エミッタ層114を形成する。
Next, after the surface of the base layer 113 is oxidized and etched, N-type impurity ions such as phosphorus are selectively implanted by thermal diffusion, so that N
The + type emitter layer 114 is formed.

【0007】エミッタ層114の形成と同時に、チップ
外周部にN+型チャンネルストッパー15を形成する。
次に、基板表面に熱酸化膜16を形成し、さらにチップ
外周部、エミッタ層114の上部、P+型ベース層11
3の上部及び、P型抵抗層11と後で形成されるエミッ
タ電極24とのコンタクト部となる部位、の酸化膜を部
分的に取り除く。これらの酸化膜が除去された部分を覆
うように、アルミニウム(A1)等の金属膜を蒸着す
る。この金属膜を所望の形状にエッチングし、熱処理を
行うことにより、ベース電極23、エミッタ電極24及
びカードリング31、32を形成する。尚、エミッタ電
極24及びカードリング31は、果す役割は互いに異な
るが、構成としては共通の1つの金属膜によるものであ
る。
At the same time as the formation of the emitter layer 114, an N + type channel stopper 15 is formed on the outer periphery of the chip.
Next, a thermal oxide film 16 is formed on the substrate surface, further chip peripheral portion, the upper portion of the emitter layer 114, P + -type base layer 11
The oxide film on the upper part of the gate electrode 3 and on the part that will be the contact part between the P-type resistance layer 11 and the emitter electrode 24 to be formed later is partially removed. A metal film such as aluminum (A1) is deposited so as to cover the portions where these oxide films have been removed. This metal film is etched into a desired shape and heat-treated to form a base electrode 23, an emitter electrode 24, and card rings 31, 32. Although the emitter electrode 24 and the card ring 31 play different roles, they have a common metal film structure.

【0008】最後に、N型シリコン基板10の裏面に金
(Au)等の金属膜によるコレクタ電極20を設ける。
この例において、N型シリコン基板10はフォトトラン
ジスタのコレクタ層として機能する。尚、領域50が受
光領域となる。
[0008] Finally, a collector electrode 20 of a metal film such as gold (Au) is provided on the back surface of the N-type silicon substrate 10.
In this example, the N-type silicon substrate 10 functions as a collector layer of a phototransistor. The region 50 is a light receiving region.

【0009】図10の構成によれば、コレクク・ベース
接合で発生した暗電流を抵抗層11を介してベース・エ
ミッタ間に流すことにより、暗電流が増幅されないよう
にして、直流電流増幅率の値の増加によるコレクタ・エ
ミッタ間降伏電圧の低下を防止できる。
According to the configuration of FIG. 10, the dark current generated at the collector-base junction is caused to flow between the base and the emitter via the resistance layer 11, so that the dark current is not amplified, and the DC current amplification factor is reduced. A decrease in the breakdown voltage between the collector and the emitter due to an increase in the value can be prevented.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】従来から、フォトカプ
ラ用のフォトトランジスタは、その用途によっても異な
るが、耐圧が90V以上かつ直流電流増幅率(hFE)
が1500以上を要望されている。しかし、図10に示
すようなベース・エミッタ間に抵抗を内蔵したフォトト
ランジスタにおいては、耐圧90V以上を保つために
は、直流電流増幅率は1000以下に抑えなければなら
なかった。これはシリコン基板に拡散やイオン注入によ
りエミッタ領域やベース領城を形成する場合、高い直流
電流増幅率にするためにはベース幅を狭くするかベース
の不純物濃度を下げなければならず、いずれの場合もパ
ンチスルーが起こりやすくなり、コレクタ・エミッタ間
及びコレクタ・ベース間の降伏電圧が低下してしまうか
らである。
Conventionally, a phototransistor for a photocoupler has a withstand voltage of 90 V or more and a DC current amplification factor (hFE), although it varies depending on the application.
Are required to be 1500 or more. However, in a phototransistor having a built-in resistor between the base and the emitter as shown in FIG. 10, the DC current gain had to be suppressed to 1000 or less in order to maintain the withstand voltage of 90 V or more. This is because when forming an emitter region or a base region by diffusion or ion implantation in a silicon substrate, the base width must be narrowed or the impurity concentration of the base must be reduced in order to obtain a high DC current amplification factor. Also in this case, punch-through is likely to occur, and the breakdown voltage between the collector and the emitter and between the collector and the base is reduced.

【0011】また、ベース・エミッタ間に抵抗(抵抗層
11)を形成したフォトトランジスタでは、その抵抗値
が大きすぎると、コレクタ・ベース接合で発生した暗電
流が抵抗に流れにくく、コレクタ・エミッタ間の降伏電
圧を高いレベルに維持することができず、抵抗を挿入す
る効果が小さくなる。逆に抵抗値が小さすぎると、直流
電流増幅率のベース電流に対する低電流特性が低下し、
実用レベルの増幅が行われない。
In a phototransistor having a resistor (resistance layer 11) formed between the base and the emitter, if the resistance is too large, the dark current generated at the collector-base junction does not easily flow through the resistor, and the resistance between the collector and the emitter decreases. Cannot be maintained at a high level, and the effect of inserting a resistor is reduced. Conversely, if the resistance value is too small, the low current characteristic of the DC current gain with respect to the base current decreases,
There is no practical level of amplification.

【0012】このように、ベース・エミッタ間に抵抗が
設けられているフォトトランジスタについては、高いレ
ベルの直流電流増幅率かつ高いコレクタ・エミッタ間降
伏電圧を得るのに特に困難が伴っていた。
As described above, it is particularly difficult for a phototransistor having a resistor provided between a base and an emitter to obtain a high level of DC current amplification factor and a high collector-emitter breakdown voltage.

【0013】また、図10の従来例におけるもう1つの
問題としては、応答速度が遅いということが挙げられ
る。それは、フォトトランジスタの受光部をシリコン基
板に形成することに由来する。シリコンによる受光部
の、波長950nmの入射光に対する吸収係数は400
cm-1と低いため、950nmの長波長光を吸収する場
合、入射光のシリコンへの侵入長が長くなり、キャリア
の拡散移動時間が長くなる。それが原因でスイッチング
時の応答速度が遅くなってしまう。なお、特開昭63-122
285号公報において、半導体受光素子の受光部としてG
l-xSix混晶層を用いることを開示している。
Another problem in the conventional example shown in FIG. 10 is that the response speed is slow. This is because the light receiving portion of the phototransistor is formed on a silicon substrate. The absorption coefficient of the silicon light receiving portion for incident light having a wavelength of 950 nm is 400.
Since low as cm -1, when absorbing long-wavelength light of 950 nm, the penetration depth into the silicon of the incident light becomes longer, the diffusion movement time of carriers becomes longer. As a result, the response speed at the time of switching is reduced. Incidentally, JP-A-63-122
In Japanese Patent Publication No. 285, G
It discloses the use of e lx Si x mixed crystal layer.

【0014】図10のような従来のフォトトランジスタ
を備えたフォトカプラについては、耐圧及びノイズ特性
としてのCMR(Common Mode Rejection:同相信号除
去比)特性と、それに相反する高速応答との間に、高出
力化のトレードオフが存在し、両方の特性を同時に上げ
るのは難しい。このため、それぞれのフォトカプラの用
途に応じて、様々な特性を持つ多種のフォトカプラが必
要とされていた。
As for a photocoupler having a conventional phototransistor as shown in FIG. 10, a CMR (Common Mode Rejection) characteristic as a withstand voltage and a noise characteristic and a high-speed response contradictory thereto. However, there is a trade-off between high output and it is difficult to improve both characteristics at the same time. Therefore, various types of photocouplers having various characteristics have been required according to the use of each photocoupler.

【0015】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、その目的とするところは、高い直流電流増幅
率を維持しながらベース中の不純物濃度を高く設定でき
る、フォトトランジスタ及びそれを備えたフォトカプラ
を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a phototransistor and a phototransistor capable of setting a high impurity concentration in a base while maintaining a high DC current amplification factor. Provided is a photocoupler having the same.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明によるフォトトラ
ンジスタは、ベース層とエミッタ層との間に抵抗が内蔵
されたフォトトランジスタであって、トランジスタのベ
ース層がSil-xGex(x>0)層により形成されてお
り、そのことにより上記目的が達成される。
A phototransistor according to the present invention is a phototransistor having a built-in resistor between a base layer and an emitter layer, wherein the base layer of the transistor is Silx Ge x (x> 0). It is formed by layers, thereby achieving the above object.

【0017】ある実施形態では、前記ベース層の一部が
受光部を兼ねている。より好ましくは、前記ベース層が
受光領域の全体に形成されている。さらに、より好まし
くは、前記ベース層の平面形態は、メッシュ状もしくは
ストライプ状を有する。ある実施形態では、前記メッシ
ュもしくはストライプの間隔は、エミッタ接地の場合に
トランジスタを動作させる時に、ベース領域からコレク
タ領域へ広がる空乏層の幅と同一となっている。
In one embodiment, a part of the base layer also functions as a light receiving section. More preferably, the base layer is formed over the entire light receiving region. Still more preferably, the planar shape of the base layer has a mesh shape or a stripe shape. In one embodiment, the spacing between the meshes or stripes is the same as the width of the depletion layer extending from the base region to the collector region when the transistor is operated when the emitter is grounded.

【0018】なお、前記ベース層と前記エミッタ層との
間はヘテロ接合を構成する。
Note that a heterojunction is formed between the base layer and the emitter layer.

【0019】本発明によるフォトカプラは上記のような
フォトトランジスタを備えており、そのことにより上記
目的が達成される。
A photocoupler according to the present invention includes a phototransistor as described above, thereby achieving the above object.

【0020】以下に、本発明の作用について説明する。The operation of the present invention will be described below.

【0021】上述したように、本発明によるベース・エ
ミッタ間に抵抗を内蔵したフォトトランジスタにおい
て、ベース層はシリコン・ゲルマニウム混晶で形成され
ている。このため、エミッタ/ベース間がシリコンとシ
リコン・ゲルマニウム混晶とのヘテロ接合となるので、
バンドギャップがベース層にシリコンを用いる場合のシ
リコン−シリコン結合よりも狭くなる。このため、ベー
スからエミッタへ移動する少数キャリアに対する障壁が
高くなり、ベースからエミッタへの少数キャリアの注入
がより効果的に抑制できる。
As described above, in the phototransistor having a built-in resistor between the base and the emitter according to the present invention, the base layer is formed of a silicon-germanium mixed crystal. Because of this, the heterojunction between silicon and silicon-germanium mixed crystal is formed between the emitter and base,
The band gap becomes narrower than the silicon-silicon bond when silicon is used for the base layer. Therefore, the barrier against the minority carriers moving from the base to the emitter is increased, and the injection of the minority carriers from the base to the emitter can be more effectively suppressed.

【0022】その結果、ベースがシリコン単結晶で形成
されたトランジスタと同等の直流電流増幅率を得る場合
には、ベース中の不純物濃度を上げることが可能とな
る。このため、パンチスルー電圧が上昇し、コレクタ・
エミッタ間の降伏電圧を高いレベルに維持することがで
き、またフォトトランジスタの感度が向上する。さら
に、フォトトランジスタの直流電流増幅率を1500以
上の高い値にすることも可能となる。なお、フォトトラ
ンジスタの感度が上がることで、より小さいサイズの受
光部を有するフォトトランジスタを用いても、従来と同
一のCTR(current transfer ratio)特性を示すフォ
トカプラの設計が可能となる。
As a result, when a DC current gain equivalent to that of a transistor whose base is formed of silicon single crystal is obtained, the impurity concentration in the base can be increased. As a result, the punch-through voltage increases and the collector
The breakdown voltage between the emitters can be maintained at a high level, and the sensitivity of the phototransistor is improved. Further, the DC current gain of the phototransistor can be set to a high value of 1500 or more. By increasing the sensitivity of the phototransistor, it is possible to design a photocoupler exhibiting the same CTR (current transfer ratio) characteristics as before even if a phototransistor having a light receiving unit of a smaller size is used.

【0023】また、シリコン・ゲルマニウム混晶は約7
00nm以上の赤色から赤外の波長領域において吸収係
数がシリコンよりも数十から数百倍高いため、シリコン
・ゲルマニウム混晶はシリコン単結晶よりも浅いところ
で光を吸収できる。このため、発生した光キャリアがp
n接合へ到達するまでの距離が短くなり、ライフタイム
によるキャリアの消滅確率が減少し、光キャリアの走行
距離が短くなる。その結果、上記の波長域の光に対する
フォトトランジスタの感度がよくなり、応答速度が向上
する。
The silicon-germanium mixed crystal is about 7
Since the absorption coefficient in the red to infrared wavelength region of 00 nm or more is several tens to several hundreds times higher than that of silicon, silicon-germanium mixed crystals can absorb light at a depth shallower than silicon single crystals. Therefore, the generated optical carrier is p
The distance to reach the n-junction is reduced, the probability of carrier extinction due to lifetime is reduced, and the travel distance of the optical carrier is reduced. As a result, the sensitivity of the phototransistor to light in the above wavelength range is improved, and the response speed is improved.

【0024】さらに、受光部を兼ねるシリコン・ゲルマ
ニウム層によるベース層の平面状態をメッシュ状又はス
トライプ状にすることで、ベース・コレクタ間の遷移容
量を小さくでき、フォトトランジスタのスイッチング動
作時における上昇時間及び下降時間を短縮できる。メッ
シュもしくはストライプの間隔を、エミッタ接地の場合
にトランジスタを動作させる時に、ベース領域からコレ
クタ領域へ広がる空乏層の幅と同一となるようにするこ
とで、ベース領域で発生する少数キャリアの走行時間に
対する影響を除くことができ、高速なスイッチング動作
が実現できる。
Further, by making the planar state of the base layer of the silicon / germanium layer also serving as a light receiving portion into a mesh or stripe, the transition capacitance between the base and the collector can be reduced, and the rise time during the switching operation of the phototransistor can be reduced. And the descent time can be reduced. By setting the mesh or stripe interval to be the same as the width of the depletion layer extending from the base region to the collector region when operating the transistor when the emitter is grounded, the transit time of minority carriers generated in the base region can be reduced. The influence can be eliminated, and a high-speed switching operation can be realized.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】本発明の基本的な特徴は、ベース
とエミッタとの間に抵抗が内蔵されたフォトトランジス
タにおいて、ベースとして動作する部分がシリコン・ゲ
ルマニウム混晶(Sil-xGex、x>0)層により形成
されている点にある。以下に、図面を参照しながら、本
発明の実施形態を詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A basic feature of the present invention is that in a phototransistor having a built-in resistor between a base and an emitter, a portion which operates as a base is made of a silicon-germanium mixed crystal ( Silx Ge x , x > 0) layer. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0026】(第1の実施形態)第1の実施形態とし
て、本発明によるフォトトランジスタを説明する。図1
は本実施形態のフォトトランジスタ100の上面構成、
図2は図1における破線II−IIに沿った断面構成を概略
的に示す。以下に、フォトトランジスタ100の形成方
法を述べながらその構成を説明する。
(First Embodiment) As a first embodiment, a phototransistor according to the present invention will be described. FIG.
Is a top configuration of the phototransistor 100 of the present embodiment,
FIG. 2 schematically shows a cross-sectional configuration along the broken line II-II in FIG. The configuration will be described below while describing a method for forming the phototransistor 100.

【0027】まず、N型シリコン(Si)層10aとN
-型シリコン層10bによるシリコン基板10に、イオ
ン注入法等を用いてボロン等のP型不純物イオンを選択
的に注入することにより、P型抵抗層11を形成する。
さらに、P型不純物イオンの選択的注入を繰り返し、P
+型ベース拡散層12を形成する。このとき、抵抗層1
1の一端とベース拡散層12は、図1の上部に示される
ように互いに接続されている。
First, an N-type silicon (Si) layer 10a and N
The P-type resistive layer 11 is formed by selectively implanting P-type impurity ions such as boron into the silicon substrate 10 using the-type silicon layer 10b by using an ion implantation method or the like.
Further, the selective implantation of P-type impurity ions is repeated,
The + type base diffusion layer 12 is formed. At this time, the resistance layer 1
One end and the base diffusion layer 12 are connected to each other as shown in the upper part of FIG.

【0028】続いて、エピタキシャル成長法により、2
つの部分に分かれているP+型ベース拡散層12にまた
がるように、P型シリコン・ゲルマニウム(Sil-x
x、x>0)混晶層を選択的に成長させることでP型
ベース層13を形成する。次に、ベース層13の表面を
酸化、エッチングした後、選択的にリン等のN型不純物
イオンを熱拡散により注入するかあるいはN+型ポリシ
リコンを堆積させることで、ベース層13の表面にN+
型エミッタ層14を形成する。(図2では、イオン注入
によりエミッタ層14を形成する場合を示している。)
エミッタ層14の形成と同時に、チップ外周部にN+
チャンネルストッパー15を形成する。次に、基板表面
に熱酸化膜16を形成し、さらに、チップ外周部、エミ
ッタ層14の上部(24c)、P+型ベース拡散層12
の上部(23c)及び、P型抵抗層11と後で形成され
るエミッタ電極24とのコンタクト部11c(図1参
照)となる部位、の酸化膜を部分的に取り除く。酸化膜
が除去されたこれらの部分を覆うように、アルミニウム
(A1)等の金属膜を蒸着する。この金属膜を所望の形
状にエッチングし、熱処理を行うことにより、ベース電
極23、エミッタ電極24及びカードリング31、32
を形成する。尚、エミッタ電極24及びカードリング3
1は、果す役割は互いに異なるが、構成としては共通の
1つの金属膜によるものである。
Subsequently, by epitaxial growth,
P-type silicon germanium (Si lx G) so as to extend over the P + type base diffusion layer 12 divided into two portions.
e x, x> 0) to form a P-type base layer 13 by selectively growing the mixed crystal layer. Next, after oxidizing and etching the surface of the base layer 13, N-type impurity ions such as phosphorus are selectively implanted by thermal diffusion or N + -type polysilicon is deposited, so that the surface of the base layer 13 is N +
The mold emitter layer 14 is formed. (FIG. 2 shows a case where the emitter layer 14 is formed by ion implantation.)
Simultaneously with the formation of the emitter layer 14, an N + type channel stopper 15 is formed on the outer periphery of the chip. Next, a thermal oxide film 16 is formed on the surface of the substrate, and furthermore, the outer peripheral portion of the chip, the upper portion (24c) of the emitter layer 14, the P + type base diffusion layer 12
The oxide film on the upper portion (23c) and the portion serving as the contact portion 11c (see FIG. 1) between the P-type resistance layer 11 and the emitter electrode 24 to be formed later is partially removed. A metal film such as aluminum (A1) is deposited so as to cover these portions from which the oxide film has been removed. This metal film is etched into a desired shape and subjected to a heat treatment so that the base electrode 23, the emitter electrode 24 and the card rings 31, 32 are formed.
To form The emitter electrode 24 and the card ring 3
1 has different roles, but is constituted by one common metal film.

【0029】最後に、N型シリコン基板10の裏面に金
(Au)等の金属膜によるコレクタ電極20を設ける。
本実施形態において、N型シリコン基板10はフォトト
ランジスタ100のコレクタ層として機能する。尚、領
域50が受光領域となる。
Finally, a collector electrode 20 made of a metal film such as gold (Au) is provided on the back surface of the N-type silicon substrate 10.
In the present embodiment, the N-type silicon substrate 10 functions as a collector layer of the phototransistor 100. The region 50 is a light receiving region.

【0030】上記のように形成されるフォトトランジス
タ100の等価回路は、図3に示されるように、コレク
タ端子41、エミッタ端子42、NPNトランジスタ4
3、フォトダイオード44及びベース・エミッタ間抵抗
45により構成される。
The equivalent circuit of the phototransistor 100 formed as described above has a collector terminal 41, an emitter terminal 42, and an NPN transistor 4 as shown in FIG.
3, a photodiode 44 and a base-emitter resistor 45.

【0031】本発明において、トランジスタのベース層
13はシリコン・ゲルマニウム(Sil-xGex、x>
0)混晶により形成されるので、ベース層をシリコンで
形成した従来の場合に比べて、同じ直流電流増幅率(h
FE)を得るときにおいて、ベース層中の不純物濃度を
より高く設定することができる。このため、パンチスル
ー電圧が上昇し、コレクタ・エミッタ間の降伏電圧を高
いレベルに維持できる。
In the present invention, the base layer 13 of the transistor is made of silicon germanium ( Silx Ge x , x>
0) Since it is formed by a mixed crystal, the DC current gain (h) is the same as in the conventional case where the base layer is formed of silicon.
When FE) is obtained, the impurity concentration in the base layer can be set higher. Therefore, the punch-through voltage increases, and the breakdown voltage between the collector and the emitter can be maintained at a high level.

【0032】また、シリコン・ゲルマニウム層によるベ
ース層13とエミッタ層14とはヘテロ接合となってい
るので、シリコンを用いる従来の場合におけるシリコン
−シリコンの接合よりもバンドギャップが狭くなる。こ
れにより、ベース層からエミッタ層への少数キャリアの
注入が抑制され、1500以上の高い直流電流増幅率を
実現することができる。
Further, since the base layer 13 and the emitter layer 14 of the silicon-germanium layer form a heterojunction, the band gap is narrower than that of the conventional silicon-silicon junction using silicon. Thereby, injection of minority carriers from the base layer to the emitter layer is suppressed, and a high DC current gain of 1500 or more can be realized.

【0033】(第2の実施形態)以下に、本発明による
フォトトランジスタの他の実施形態を説明する。図4
は、図2に対応しており、本実施形態によるフォトトラ
ンジスタ200の断面構成を概略的に示す。第1の実施
形態との違いは、本実施形態のフォトトランジスタ20
0において、ベース層は、トランジスタの受光領域をカ
バーするように設けられている点である。
(Second Embodiment) Hereinafter, another embodiment of the phototransistor according to the present invention will be described. FIG.
Corresponds to FIG. 2 and schematically illustrates a cross-sectional configuration of the phototransistor 200 according to the present embodiment. The difference from the first embodiment is that the phototransistor 20 of the present embodiment is different from the first embodiment.
0, the base layer is provided so as to cover the light receiving region of the transistor.

【0034】以下に、フォトトランジスタ200の形成
方法を述べながらその構成を説明する。
Hereinafter, the structure of the phototransistor 200 will be described while describing a method of forming the phototransistor 200.

【0035】まず、N型シリコン(Si)層10aとN
-型シリコン層10bによるシリコン基板10に、イオ
ン注入法等を用いてボロン等のP型不純物イオンを選択
的に注入することにより、P型抵抗層11を形成する。
さらに、P型不純物イオンの選択的注入を繰り返し、P
+型ベース拡散層62を形成する。このとき、抵抗層1
1の一端とベース拡散層62は、第1の実施形態の場合
と同様に互いに接続されている。
First, the N-type silicon (Si) layer 10a and N
The P-type resistive layer 11 is formed by selectively implanting P-type impurity ions such as boron into the silicon substrate 10 using the-type silicon layer 10b by using an ion implantation method or the like.
Further, the selective implantation of P-type impurity ions is repeated,
A + type base diffusion layer 62 is formed. At this time, the resistance layer 1
One end of the base 1 and the base diffusion layer 62 are connected to each other as in the case of the first embodiment.

【0036】続いて、エピタキシャル成長法により、2
つの部分に分かれているP+型ベース拡散層62にまた
がるように、P型シリコン・ゲルマニウム(Sil-x
x、x>0)層を選択的に成長させることでP型ベー
ス層63を形成する。P型ベース層63は、図4に示さ
れるように、受光領域50の全体をカバーしている。言
い換えれば、本実施形態において、P型ベース層63の
一部が受光部を兼ねている。
Subsequently, by epitaxial growth, 2
P-type silicon germanium (Si lx G) so as to straddle the P + type base diffusion layer 62 divided into two portions.
e x, to form a P-type base layer 63 by selectively growing the x> 0) layer. The P-type base layer 63 covers the entire light receiving area 50 as shown in FIG. In other words, in the present embodiment, a part of the P-type base layer 63 also functions as a light receiving unit.

【0037】次に、第1の実施形態と同様な方法によ
り、ベース層63の表面を酸化、エッチングした後、選
択的にリン等のN型不純物イオンを熱拡散により注入す
るかあるいはN+型ポリシリコンを堆積させることで、
ベース層63の表面にN+型エミッタ層14を形成す
る。(図4では、イオン注入によりエミッタ層14を形
成する場合を示している。)エミッタ層14の形成と同
時に、チップ外周部にN+型チャンネルストッパー15
を形成する。次に、基板表面に熱酸化膜16を形成し、
チップ外周部、エミッタ層14の上部(24c)、ベー
ス層63の上部(23c)及び、P型抵抗層11と後で
形成されるエミッタ電極24とのコンタクト部11c
(第1の実施形態の図1参照)となる部位、の酸化膜を
部分的に取り除く。酸化膜が除去されたこれらの部分を
覆うように、アルミニウム(A1)等の金属膜を蒸着す
る。この金属膜を所望の形状にエッチングし、熱処理を
行うことにより、ベース電極23、エミッタ電極24及
びカードリング31、32を形成する。
Next, after oxidizing and etching the surface of the base layer 63 in the same manner as in the first embodiment, N-type impurity ions such as phosphorus are selectively implanted by thermal diffusion or N + -type ions. By depositing polysilicon,
The N + -type emitter layer 14 is formed on the surface of the base layer 63. (FIG. 4 shows a case where the emitter layer 14 is formed by ion implantation.) Simultaneously with the formation of the emitter layer 14, an N + type channel stopper 15
To form Next, a thermal oxide film 16 is formed on the substrate surface,
The outer periphery of the chip, the upper part (24c) of the emitter layer 14, the upper part (23c) of the base layer 63, and the contact part 11c between the P-type resistance layer 11 and the emitter electrode 24 to be formed later.
The oxide film at the part which becomes the part (see FIG. 1 of the first embodiment) is partially removed. A metal film such as aluminum (A1) is deposited so as to cover these portions from which the oxide film has been removed. This metal film is etched into a desired shape and heat-treated to form a base electrode 23, an emitter electrode 24, and card rings 31, 32.

【0038】最後に、N型シリコン基板10の裏面に金
(Au)等の金属膜によるコレクタ電極20を設ける。
尚、N型シリコン基板10はフォトトランジスタ200
のコレクタ層として機能する。
Finally, a collector electrode 20 made of a metal film such as gold (Au) is provided on the back surface of the N-type silicon substrate 10.
The N-type silicon substrate 10 is a phototransistor 200
Function as a collector layer of

【0039】本実施形態において、受光部を兼ねるベー
ス層63は、シリコン・ゲルマニウム層により形成され
ているので、シリコンよるベース層の場合に比べて、赤
色から赤外の波長領域において高い吸収係数をもつこと
になる。このため、受光部の浅い部分で入射光が吸収さ
れ、シリコンよる受光部を用いる第1の実施形態及び従
来の構造に比べて、フォトトランジスタの感度がさらに
高くなる。加えて、キャリアの拡散移動距離がシリコン
よる受光部の場合よりも短くなることで、応答時間の短
縮が可能となる。
In this embodiment, since the base layer 63 also serving as the light receiving portion is formed of a silicon-germanium layer, the base layer 63 has a higher absorption coefficient in the red to infrared wavelength region than the case of the silicon base layer. Will have. Therefore, the incident light is absorbed by the shallow portion of the light receiving portion, and the sensitivity of the phototransistor is further increased as compared with the first embodiment using the light receiving portion made of silicon and the conventional structure. In addition, since the diffusion movement distance of the carrier is shorter than that in the case of the light receiving portion made of silicon, the response time can be shortened.

【0040】図4において、ベース層63は受光領域5
0の全体に形成されているが、ベース層63を受光領域
50の一部に設けても、本発明による上記の効果はある
程度得られる。
In FIG. 4, the base layer 63 has a light receiving region 5
However, even if the base layer 63 is provided in a part of the light receiving region 50, the above-described effects according to the present invention can be obtained to some extent.

【0041】図4について、ベース層63が連続した1
枚の層として説明したが、受光部を兼ねるベース層の平
面形態を、図5に示すようなメッシュ状(73a)、も
しくは図6に示すようなストライプ状(73b)にして
もよい。これらの場合のフォトトランジスタの断面構造
は図7に示す通りである。このようなベース層を用いる
ことで、ベース・コレクタ間の遷移容量を小さくし、ス
イッチング動作時の上昇時間及び下降時間を、蓄積時間
やその他諸特性に影響することなく短縮することができ
る。
Referring to FIG. 4, the base layer 63 has a continuous 1
Although described as a single layer, the plane configuration of the base layer also serving as the light receiving section may be a mesh shape (73a) as shown in FIG. 5 or a stripe shape (73b) as shown in FIG. The cross-sectional structure of the phototransistor in these cases is as shown in FIG. By using such a base layer, the transition capacitance between the base and the collector can be reduced, and the rise time and the fall time during the switching operation can be reduced without affecting the accumulation time and other characteristics.

【0042】さらに、上記のメッシュもしくはストライ
プの間隔D(図5及び6)を、図8に示されるように、
エミッタ接地の場合にトランジスタを動作させる時に、
ベース領域からコレクタ領域へ広がる空乏層80の幅W
と同一となるようにすることで、受光部で発生する少数
キャリアの走行時間の応答時間に対する悪影響を回避で
きる。
Further, as shown in FIG. 8, the above-mentioned mesh or stripe interval D (FIGS. 5 and 6)
When operating the transistor when the emitter is grounded,
Width W of depletion layer 80 extending from base region to collector region
By doing so, it is possible to avoid an adverse effect on the response time of the traveling time of the minority carrier generated in the light receiving section.

【0043】(第3の実施形態)第3の実施形態とし
て、本発明によるフォトトランジスタを備えたフォトカ
プラを説明する。図9は本実施形態のフォトカプラ30
0の構成を概略的に示す。
Third Embodiment As a third embodiment, a photocoupler having a phototransistor according to the present invention will be described. FIG. 9 shows a photocoupler 30 of the present embodiment.
0 is schematically shown.

【0044】フォトカプラ300において、フォトトラ
ンジスタ91は発光素子92と互いに対向して配置さ
れ、その間に透明シリコン樹脂層93により光パスが形
成されている。上記の構造の周辺は遮光性エポキシ樹脂
層94により封入され、1つのパッケージとなる。尚、
リードフレーム95はフォトカプラへの入力信号の供給
と出力信号の取り出しを行うためのものである。
In the photocoupler 300, the phototransistor 91 is disposed so as to face the light emitting element 92, and an optical path is formed therebetween by the transparent silicon resin layer 93. The periphery of the above structure is sealed with a light-shielding epoxy resin layer 94 to form one package. still,
The lead frame 95 is for supplying an input signal to the photocoupler and extracting an output signal.

【0045】フォトトランジスタ91としては、上記の
第1又は第2の実施形態によるフォトトランジスタを用
いる。このことにより、フォトカプラのスイッチング動
作時の応答時間が早くなり、多様な用途に対応でき、高
耐圧化及び高感度化が可能となる。また、チップパター
ン自体はガードリングの形状等、従来のものと変わらな
いので、高感度化することによるCMR(common mode
rejection)特性が悪化することはない。加えて、CT
R(current transfer ratio)特性を低下させることな
くフォトトランジスタの受光部の占める面積を縮小する
ことができる。
As the phototransistor 91, the phototransistor according to the first or second embodiment is used. As a result, the response time at the time of the switching operation of the photocoupler is shortened, it is possible to cope with various uses, and it is possible to increase the withstand voltage and the sensitivity. Further, since the chip pattern itself is not different from the conventional one such as the shape of the guard ring, the CMR (common mode) by increasing the sensitivity is improved.
rejection) properties do not deteriorate. In addition, CT
The area occupied by the light receiving portion of the phototransistor can be reduced without lowering the R (current transfer ratio) characteristic.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明によれば、ベース・エミッタ間に
抵抗を内蔵したフォトトランジスタにおいて、ベースと
して動作する部分がシリコン・ゲルマニウム(Sil-x
Gex、x>0)層により構成される。これにより、コ
レクタ・エミッタ間の降伏電圧の著しい低下を防止し、
1500以上の高い直流電流増幅率(hFE)をもつフ
ォトトランジスタが得られる。
According to the present invention, in a phototransistor having a built-in resistor between a base and an emitter, a portion which operates as a base is made of silicon germanium (Si lx).
Ge x , x> 0). This prevents a significant drop in the breakdown voltage between the collector and emitter,
A phototransistor having a high DC current gain (hFE) of 1500 or more can be obtained.

【0047】ベース層の、フォトトランジスタの受光部
を兼ねる部分もシリコン・ゲルマニウム層で構成するこ
とにより、長波長の入射光に対しての感度が上昇し、ス
イッチング動作時の応答時間を短縮することが可能であ
る。また、受光部を兼ねるベース層をメッシュ構造若し
くはストライプ構造にすることで、さらに応答時間を短
縮することが可能である。さらに、メッシュまたはスト
ライプの間隔が、エミッタ接地の場合にトランジスタを
動作させる時に、ベース領域からコレクタ領域へ広がる
空乏層の幅と同一となるようにすることで、より応答を
高速化することができる。
By forming the portion of the base layer also serving as the light receiving portion of the phototransistor from the silicon-germanium layer, the sensitivity to long-wavelength incident light is increased, and the response time at the time of switching operation is shortened. Is possible. Further, the response time can be further shortened by forming the base layer also serving as the light receiving section into a mesh structure or a stripe structure. Furthermore, the response can be further speeded up by making the interval between the meshes or stripes the same as the width of the depletion layer extending from the base region to the collector region when operating the transistor when the emitter is grounded. .

【0048】上記ようなフォトトランジスタを搭載した
フォトカプラは、高速応答が可能である他、従来よりも
フォトトランジスタの受光部を縮小してもフォトトラン
ジスタの感度を向上できるので、CTR特性を落とすこ
となく素子設計を行うことが可能である。
A photocoupler equipped with the above-described phototransistor can provide a high-speed response and can improve the sensitivity of the phototransistor even if the light-receiving portion of the phototransistor is reduced as compared with the conventional art. It is possible to design the device without any additional components.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態によるフォトトランジ
スタの平面構成図
FIG. 1 is a plan view of a phototransistor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の線II-IIに沿った断画構成図FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. 1;

【図3】その等価回路FIG. 3 is an equivalent circuit thereof.

【図4】本発明の第2の実施形態によるフォトトランジ
スタの断面構成図
FIG. 4 is a sectional configuration diagram of a phototransistor according to a second embodiment of the present invention;

【図5】それにおけるベース層の改変例の平面図FIG. 5 is a plan view of a modified example of the base layer therein.

【図6】図4のフォトトランジスタにおけるベース層の
他の改変例の平面図
FIG. 6 is a plan view of another modification of the base layer in the phototransistor of FIG.

【図7】図5又は6に示すベース層を備えたフォトトラ
ンジスタの断面構成図
FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram of a phototransistor including the base layer illustrated in FIG. 5 or 6.

【図8】それにおいて、エミッタ接地の場合にトランジ
スタを動作させる時に、ベース領域からコレクタ領域へ
広がる空乏層の様子を示す部分拡大図
FIG. 8 is a partially enlarged view showing a state of a depletion layer extending from a base region to a collector region when a transistor is operated in the case of a common emitter.

【図9】本発明の第3の実施形態によるフォトカプラの
構成図
FIG. 9 is a configuration diagram of a photocoupler according to a third embodiment of the present invention.

【図10】従来技術によるフォトトランジスタの断面構
成図
FIG. 10 is a cross-sectional configuration diagram of a phototransistor according to a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 N型Si基板 11 P型抵抗層 11c P型抵抗層とエミッタとのコンククト部 12、62 P型ベース拡散層 13、63、73a、73b P型ベース層(シリコン
・ゲルマニウム混晶層) 14 N型エミッタ層 15 チャンネルストッパー 16 酸化膜 20 コレクタ電極 23 ベース電極 23c ベース層(ベース拡散層)とベース電極とのコ
ンククト部 24 エミッタ電極 24c エミッタ層とエミッタ電極とのコンククト部 31 P型拡散接合部ガードリング 32 チャンネルストッパー接合部ガードリング 50 受光領域 91、100、200 フォトトランジスタ 300 フォトカプラ
Reference Signs List 10 N-type Si substrate 11 P-type resistance layer 11 c Contact part between P-type resistance layer and emitter 12, 62 P-type base diffusion layer 13, 63, 73 a, 73 b P-type base layer (silicon-germanium mixed crystal layer) 14 N Type emitter layer 15 Channel stopper 16 Oxide film 20 Collector electrode 23 Base electrode 23c Contact part between base layer (base diffusion layer) and base electrode 24 Emitter electrode 24c Contact part between emitter layer and emitter electrode 31 P-type diffusion junction guard Ring 32 channel stopper junction guard ring 50 light receiving area 91, 100, 200 phototransistor 300 photocoupler

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F049 MA12 MB03 MB12 NA03 NA20 PA10 PA14 QA09 QA12 QA14 SE05 WA01 5F089 AA10 AB03 AC02 CA12 DA02 DA14 EA04  ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page F term (reference) 5F049 MA12 MB03 MB12 NA03 NA20 PA10 PA14 QA09 QA12 QA14 SE05 WA01 5F089 AA10 AB03 AC02 CA12 DA02 DA14 EA04

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 トランジスタのベース層がSil-xGex
(x>0)層により形成されている、ベース層とエミッ
タ層との間に抵抗が内蔵されたフォトトランジスタ。
1. A base layer of the transistor is Si lx Ge x
A phototransistor formed of (x> 0) layers and having a built-in resistor between the base layer and the emitter layer.
【請求項2】 前記ベース層の一部が受光部を兼ねてい
る、請求項1に記載のフォトトランジスタ。
2. The phototransistor according to claim 1, wherein a part of said base layer also functions as a light receiving section.
【請求項3】 前記ベース層が受光領域の全体に形成さ
れている、請求項2に記載のフォトトランジスタ。
3. The phototransistor according to claim 2, wherein said base layer is formed over the entire light receiving region.
【請求項4】 前記ベース層の平面形態は、メッシュ状
もしくはストライプ状を有する、請求項2又は3に記載
のフォトトランジスタ。
4. The phototransistor according to claim 2, wherein the planar shape of the base layer has a mesh shape or a stripe shape.
【請求項5】 前記メッシュもしくはストライプの間隔
は、エミッタ接地の場合にトランジスタを動作させる時
に、ベース領域からコレクタ領域へ広がる空乏層の幅と
同一となっている、請求項4に記載のフォトトランジス
タ。
5. The phototransistor according to claim 4, wherein a distance between the meshes or stripes is equal to a width of a depletion layer extending from a base region to a collector region when the transistor is operated in a case where the emitter is grounded. .
【請求項6】 前記ベース層と前記エミッタ層との間は
ヘテロ接合を構成する、請求項1から5のいずれかに記
載のフォトトランジスタ。
6. The phototransistor according to claim 1, wherein a heterojunction is formed between said base layer and said emitter layer.
【請求項7】 請求項1から6のいずれかに記載のフォ
トトランジスタを用いたフォトカプラ。
7. A photocoupler using the phototransistor according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011059115A (en) * 2009-09-07 2011-03-24 National Central Univ Fluorescence detection system, method, and device for measuring biologic molecule
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