JP2004241402A

JP2004241402A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP2004241402A
Application number: JP2003025828A
Authority: JP
Inventors: Hisao Nagata; 久雄永田; Hideki Azuma; 秀樹東
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】単一の半導体受光素子で、用途に応じた高速性と大きな受光面積の両方を実現する。
【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板上に、順次、アンドープＩｎＧａＡｓ層，ｎ型ＩｎＰ層をＭＯＶＰＥ法により成長した基板を用いた。プラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜を拡散用のパシベーション膜として用い、開口部より亜鉛を拡散して拡散領域を形成した。これは、直径８０μｍの円形の第１の拡散領域１６と、その周りに２０μｍの間隔を空けて幅４０μｍの一部が欠けたリング状（内径１２０μｍ，外径２００μｍ）の第２の拡散領域１８とからなる。基板全面に反射防止膜（図示せず）を設け、第１および第２のそれぞれの拡散領域１６，１８に接合するように第１および第２のアノード電極２０，２２を設けた。一方、ｎ型ＩｎＰ基板の裏面には、コモンのカソード電極を設けた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子、特に高速性と大きな受光面積を可能とする半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体受光素子として、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。この半導体受光素子は、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓ光吸収層、ＩｎＰキャップ層からなり、ＩｎＰキャップ層内に拡散領域が形成されて、ｐｉｎフォトダイオードを構成する。拡散領域上にｐ電極が形成され、ＩｎＰ基板裏面上に、それぞれｎ電極が形成される。
【０００３】
このようなフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓ光吸収層で光が吸収されてキャリアを発生し、キャリアのドリフトにより両電極間に光起電力を発生する。ｎ電極とｐ電極が外部回路で閉じている場合、その回路には光電流が流れる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３７００２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような半導体受光素子は、アライメントされて種々の用途に利用される。受光領域（面積）と素子の電気容量とは反比例するため、受光領域が大きいほど、応答速度は低くなる。
【０００６】
したがって、高速応答を必要とする用途に用いる場合には、受光領域の小さな受光素子を準備する必要があり、一方、レーザのモニタ用途など高速性能を要求しない用途に用いる場合には、アライメントの容易性から受光領域の大きな受光素子が用いられてきた。このため、用途に応じて受光領域の異なる受光素子を準備する必要があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は単一の半導体受光素子で、用途に応じた高速性と大きな受光面積の両方を実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、拡散領域を含むフォトダイオードと、前記拡散領域を取り囲むｎ重以上（ｎは１以上の整数）のリング状拡散領域をそれぞれ含むｎ個のｐｉｎフォトダイオードとを有する基板と、前記各拡散領域上に形成されたアノード電極と、前記基板の表面または裏面に形成されたカソード電極とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様によれば、第１の拡散領域を含む第１のフォトダイオードと、第１の拡散領域を取り囲む第２の拡散領域を含む第２のフォトダイオードとを有する基板とを備え、第１の拡散領域上に第１のアノード電極が、第２の拡散領域上に第２のアノード電極が、基板の表面または裏面にはカソード電極が設けられている。
【００１０】
高速応答を必要とする場合には、第２のアノード電極をカソード電極に接続し、第１のアノード電極とカソード電極との間に発生する光電流を検出する。
【００１１】
一方、高速応答は必要とせず、受光面積を大きくしたい場合には、第１のアノード電極と第２のアノード電極とを接続し、これらのアノード電極とカソード電極との間に発生する光電流を検出する。
【００１２】
このような構造の受光素子によれば、その用途に応じて、デバイスデザインを変更することなく、接続を変えることで高速性あるいは広受光面積のいずれかを選択できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
【００１４】
【第１実施例】
以下、本発明の半導体受光素子の第１実施例を図１，図２に基づいて説明する。図１は、受光素子の平面模式図、図２は図１のＸ−Ｘ′線断面模式図である。
【００１５】
ｎ型ＩｎＰ基板１０上に、順次、アンドープＩｎＧａＡｓ層１２，ｎ型ＩｎＰ層１４を、例えばＭＯＶＰＥ法により成長した基板を用いた。なお、ｎ型ＩｎＰ基板１０とアンドープＩｎＧａＡｓ層１２との間に、ｎ型ＩｎＰバッファ層を介在させてもよい。このようなバッファ層を設けると、ＩｎＧａＡｓ層の品質を高めることができる。
【００１６】
プラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜を拡散用のパシベーション膜として用い、開口部より亜鉛を拡散して拡散領域を形成した。これは、直径８０μｍの円形の第１の拡散領域１６と、その周りに２０μｍの間隔を空けて幅４０μｍの一部が欠けたリング状（内径１２０μｍ，外径２００μｍ）の第２の拡散領域１８とからなる。基板全面に反射防止膜（図示せず）を設け、第１および第２のそれぞれの拡散領域１６，１８に接合するように第１および第２のアノード電極２０，２２を設けた。一方、ｎ型ＩｎＰ基板１０の裏面には、コモンのカソード電極２４を設けた。
【００１７】
なお、第１および第２のアノード電極は、光を遮らないように、図示のように電極形成のための突出した拡散領域上に設けられる。
【００１８】
以上の第１および第２の拡散領域により、第１および第２のｐｉｎフォトダイオードが形成される。
【００１９】
本実施例では図３で示すように、第２のリング状拡散領域１８に設けた第２のアノード電極２２は、３通りの接続方法があり得る。図３は、その接続回路を示す。図３において、２６は第１のフォトダイオードを、２８は第２のフォトダイオードを示す。
【００２０】
第１のフォトダイオード２６は、電圧源３０により逆バイアスされている。電圧源３０には、光電流を計測する電流計３２が直列に接続されている。第２のフォトダイオード２８のアノード電極は、切換えスイッチ３４に接続されている。この切換えスイッチ３４は、以下の３通りの切換えが可能である。
【００２１】
１）スイッチ端子Ｓ１に切換えることにより、第２のアノード電極２２を、第１のアノード電極２０に接続する。したがって、第１および第２の拡散領域が受光素子の受光面として働き、全体としての受光面積が大きくなる。
【００２２】
２）スイッチ端子Ｓ２に切換えることにより、第２のアノード電極２２を、オープン状態にする。第２の拡散領域１８に入射した光によって生起されたキャリアは第１の拡散領域に拡散する結果、出力電流に寄与することになる。したがって、第２の拡散領域１８は、第１の拡散領域１６より光感度は低いが、受光面として働く。
【００２３】
３）スイッチ端子Ｓ３に切換えることにより、第２のアノード電極を、コモンのカソード電極に接続する。したがって、第２の拡散領域１８に入射した光によって生起されたキャリアは第２のフォトダイオード２８を光電流として流れ、受光素子の出力電流には寄与しない。このように、第１の拡散領域のみ受光面として働くので、受光面積は最も小さくなる。
【００２４】
スイッチ３４のそれぞれの切換え状態について、光感度の分布を調べたところ図４のようになった。比較のため、第２の拡散領域のない受光素子の光感度分布をあわせて示した。
【００２５】
図４において、横軸は直径が８０μｍの円形の拡散領域１６の中心からの距離Ｙを、縦軸は出力電流を示す。
【００２６】
比較例である受光素子では、円形の第１の拡散領域１６に光が入射した場合には、一定の出力電流を発生するが、入射光の位置が拡散領域１６から遠ざかるにつれて、出力電流は低下していることがわかる。
【００２７】
スイッチの切換え（１）の場合においては、リング状の第２の拡散領域１８の外径２００μｍの範囲内に光が入射した場合には、一定の出力電流を発生するが、入射光の位置が拡散領域１８から遠ざかるにつれて、出力電流は低下していることがわかる。
【００２８】
スイッチの切換え（２）の場合においては、第１の拡散領域１６に光が入射した場合には、一定の出力電流を発生し、入射光の位置が拡散領域１６から離れるにつれて、出力電流は低下し、光が第２の拡散領域１８に入射すると、前記出力電流よりは低いが一定の出力電流を発生し、入射光の位置が拡散領域１６から遠ざかるにつれて、出力電流は低下していることがわかる。
【００２９】
スイッチの切換え（３）の場合においては、第１の拡散領域１６に光が入射した場合には、一定の出力電流を発生し、入射光の位置が拡散領域１６から離れると、出力電流は急激に低下し、光が第２の拡散領域１８に入射すると、出力電流は零となることがわかる。
【００３０】
比較対象の特性の傾きと、切換え接続（１），（２）の特性の傾きが異なるのは、チップサイズの影響を受けているためで、発明の本質とは異なるものと考えている。
【００３１】
本実施例によれば、８０μｍ径の受光領域をもった受光素子として作用するだけではなく、電気的な接続を変えることで２００μｍの直径をもつ受光素子としても作用させることができる。２００μｍの直径をもつ受光素子としては、切換え接続（１），（２）の両方があるが、切換え接続（１）の方が切換え接続（２）よりも光感度が大きい。
【００３２】
【第２実施例】
図５は、本発明の第２実施例を示す。リング状拡散領域は、一重のリングに限る必要はなく、図示のように二重のリング状拡散領域を設けることもできる。
【００３３】
外側のリング状拡散領域は、２個の半リング状部分４０Ａ，４０Ｂよりなり、各部分にはアノード電極４２Ａ，４２Ｂがそれぞれ設けられている。その他の構造は、図１に同じであり、したがって図１と同じ要素には、同一の参照番号を付して示す。
【００３４】
この実施例では、受光面積を３通りに変えることができることは、容易に理解できるであろう。
【００３５】
【第３実施例】
第１および第２の実施例では、光は基板表面側（拡散領域側）から入射するので、アノード電極が光を遮らないように電極形成用の拡散領域を形成していた。しかし、基板裏面のカソード電極を、図６（Ａ），（Ｂ）の底面図および断面図に示すように、中央に円形開口を有する電極４４とし、円形開口内の基板底面には、反射防止膜４６を設けた場合には、基板裏面側から光を入射させることができる。この場合には、基板表面側から光を入射させる場合とは異なり、アノード電極によって光が遮られることがないため、図７に示すように拡散領域上に電極を設けることもできる。
【００３６】
完全な円形の拡散領域５０上にアノード電極５２が、完全なリング状の拡散領域５４上に、完全なリング状のアノード電極５６を形成することができる。これら一重のリング状の拡散領域であるが、二重のリング状拡散領域にも適用できる。
【００３７】
【第４実施例】
以上の各実施例では、カソード電極は基板裏面に設けられている。しかし、本出願の発明者は、カソード電極を基板裏面に設けても、フォトダイオードとして動作することを確認した。
【００３８】
以下に、カソード電極を基板裏面に設けた半導体受光素子第４実施例について説明する。
【００３９】
図８は、カソード電極２４を除いた図１に示した構造において、正方形状のカソード電極６０を、基板表面の非拡散領域上の１箇所以上（図では、２箇所）に設けた例を示す。図９は、リング状のカソード電極６２を非拡散領域上に設けた例を示す。いずれも、基板裏面には素子のマウントのために金属膜（図示せず）を設けた。なお、この金属膜は、必ず必要なものではない。
【００４０】
以上のような２つの半導体受光素子において、暗電流，電気容量，直線性，遮断周波数，感度（量子効率），暗電流の温度特性を測定した結果、裏面にカソード電極を用いた場合と、いずれの項目についても差異はなかった。
【００４１】
なお、本実施例は図５の構造にも適用できることは、容易に理解できるであろう。
【００４２】
【第５実施例】
カソード電極２４を除いた図７に示した構造において、カソード電極を基板表面の非拡散領域上に設けた実施例を、図１０および図１１に示す。図１０は平面図、図１１は断面図である。
【００４３】
基板表面の非拡散領域上に、カソード電極を設けるが、本実施例では、図９と同様に、リング状のカソード電極６４とした。図８の正方形状のカソード電極とすることも可能である。基板裏面には、反射防止膜６６を設けている。
【００４４】
なお図１１において、図２と同様に、１０はｎ型ＩｎＰ基板、１２はアンドープＩｎＧａＡｓ層、１４はｎ型ＩｎＰ層である。第１実施例で説明したように、ｎ型ＩｎＰ基板１０とアンドープＩｎＧａＡｓ層１２との間に、ｎ型ＩｎＰバッファ層を介在させてもよい。
【００４５】
本実施例の構造は、一重のリング状の拡散領域のみならず、二重のリング状拡散領域にも適用できることは、容易に理解できるであろう。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、単一の受光素子の受光面積を変えることができるので、用いられる用途に応じた受光面積を選択できる。高速性能が要求される場合には、受光面積を小さくし、高速性能が要求されない場合には、アライメントが容易な大きな受光領域とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体受光素子の第１実施例の平面模式図である。
【図２】第１実施例のＸ−Ｘ′線断面模式図である。
【図３】第２のアノード電極の切換え接続例を示す図である。
【図４】各切換え状態における光分布を示す図である。
【図５】本発明の半導体受光素子の第２実施例の平面模式図である。
【図６】第３実施例のカソード電極の形状を示す図である。
【図７】本発明の半導体受光素子の第３実施例の平面模式図である。
【図８】本発明の半導体受光素子の第４実施例の平面模式図である。
【図９】本発明の半導体受光素子の第４実施例の平面模式図である。
【図１０】本発明の半導体受光素子の第５実施例の平面模式図である。
【図１１】第５実施例の断面模式図である。
【符号の説明】
１０ｎ型ＩｎＰ基板
１２アンドープＩｎＧａＡｓ層
１４ｎ型ＩｎＰ層
１６第１の拡散領域
１８第２の拡散領域
２０第１のアノード電極
２２第２のアノード電極
２４，４４，６０，６２，６４カソード電極
２６第１のフォトダイオード
２８第２のフォトダイオード
３０電圧源
３２電流計
３４切換えスイッチ
４０Ａ，４０Ｂ半リング状部分
４２Ａ，４２Ｂアノード電極
４６反射防止膜
５０，５４拡散領域
５２，５６アノード電極

Claims

拡散領域を含むフォトダイオードと、前記拡散領域を取り囲むｎ重以上（ｎは１以上の整数）の拡散領域をそれぞれ含むｎ個のフォトダイオードとを有する基板と、
前記各拡散領域上に形成されたアノード電極と、
前記基板の表面または裏面に形成されたカソード電極とを備える半導体受光素子。
第１の拡散領域を含む第１のフォトダイオードと、第１の拡散領域を取り囲む第２の拡散領域を含む第２のフォトダイオードとを有する基板と、
第１の拡散領域上に形成された第１のアノード電極と、
第２の拡散領域上に形成された第２のアノード電極と、
前記基板の表面または裏面に形成されたカソード電極とを備え、
第２のアノード電極を第１のアノード電極に接続して、第１の拡散領域と第２の拡散領域とを受光領域とし、または第２のアノード電極をカソード電極に接続して、第１の拡散領域を受光領域とする半導体受光素子。
前記基板の表面側から入射する光を受光する場合には、
第１の拡散領域は、円形部と、第１のアノード電極が形成される電極形成部とからなり、
第２の拡散領域は、前記電極形成部を挟む開口を有し、前記円形部を取り囲むリング状部と、第２のアノード電極が形成される電極形成部とからなり、
前記カソード電極は、前記基板の裏面に形成されている請求項２に記載の半導体受光素子。
前記基板の裏面側から入射する光を受光する場合には、
前記基板の裏面に形成されたカソード電極は、光を通過させる開口を有し、
第１の拡散領域および第１のアノード電極は、それぞれ円形であり、
第２の拡散領域および第２のアノード電極は、それぞれリング状である、請求項２に記載の半導体受光素子。
前記基板の裏面側から入射する光を受光する場合には、
第１の拡散領域および第１のアノード電極は、それぞれ円形であり、
第２の拡散領域および第２のアノード電極は、それぞれリング状であり、
前記カソード電極は、前記基板の表面の非拡散領域上に形成され、前記第２の拡散領域を取り囲むリング状である、請求項２に記載の半導体受光素子。
第１の拡散領域を含む第１のフォトダイオードと、第１の拡散領域を取り囲む第２の拡散領域を含む第２のフォトダイオードと、第２の拡散領域を取り囲む第３の拡散領域を含む第３のフォトダイオードを有する基板と、
第１の拡散領域上に形成された第１のアノード電極と、
第２の拡散領域上に形成された第２のアノード電極と、
第３の拡散領域上に形成された第３のアノード電極と、
前記基板の表面または裏面に形成されたカソード電極とを備え、
第２および第３のアノード電極を第１のアノード電極に接続して、第１，第２および第３の拡散領域を受光領域とし、
または第３のアノード電極をカソード電極に接続し、第２のアノード電極を第１のアノード電極に接続して、第１の拡散領域と第２の拡散領域とを受光領域とし、
または第２および第３のアノード電極をカソード電極に接続して、第１の拡散領域を受光領域とする半導体受光素子。
前記基板の表面側から入射する光を受光する場合には、
第１の拡散領域は、円形部と、第１のアノード電極が形成される電極形成部とからなり、
第２の拡散領域は、前記電極形成部を挟む開口を有し、前記円形部を取り囲むリング状部と、第２のアノード電極が形成される電極形成部とからなり、
第３の拡散領域は、第１の拡散領域の電極形成部および第２の拡散領域の電極形成部をそれぞれ挟む開口を有し、第２の拡散領域を取り囲むリング状部と、第３のアノード電極が形成される電極形成部とからなり、
前記カソード電極は、前記基板の裏面に形成されている請求項６に記載の半導体受光素子。
前記基板の裏面側から入射する光を受光する場合には、
前記基板の裏面に設けられたカソード電極は、光を通過させる開口を有し、
第１の拡散領域および第１のアノード電極は、それぞれ円形であり、
第２および第３の拡散領域と第２および第３のアノード電極は、それぞれリング状である、請求項６に記載の半導体受光素子。
前記基板の裏面側から入射する光を受光する場合には、
第１の拡散領域および第１のアノード電極は、それぞれ円形であり、
第２および第３の拡散領域と第２および第３のアノード電極は、それぞれリング状であり、
前記カソード電極は、前記基板の表面の非拡散領域上に形成され、前記第３の拡散領域を取り囲むリング状である、請求項６に記載の半導体受光素子。