JP2005251805A - 半導体受光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バイポーラトランジスタの特性を低下させることなく、受光素子の周波数特性及び受光感度の向上と寄生容量の低減とが可能となるようにする。
【解決手段】 基板１１上には、高不純物濃度の第１のｐ型半導体層１２と、低不純物濃度の第２のｐ型半導体層１３と、第２のｐ型半導体層１３よりも高濃度のｎ型半導体層１４とが形成されている。フォトダイオード４０が形成される領域において、第１のｐ型半導体層１２はアノード領域の一部分を構成し、ｎ型半導体層１４はカソード領域４２及び高濃度カソード領域４５を構成している。また、バイポーラトランジスタ２０が形成される領域においてはｎ型半導体層１４内にコレクタ領域２２が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体受光装置に関し、特に、受光素子と論理素子とが同一基板上に形成された半導体受光装置に関する。

従来より、半導体受光装置として、光信号を電気信号に変換するフォトダイオード等の受光素子と、周辺回路を構成するトランジスタ、キャパシタ及び容量等の論理素子とを同一の基板上に形成した光電子集積回路（Opto-Electronic Integrated Circuit：ＯＥＩＣ）装置が知られており、例えばコンパクトディスク（ＣＤ）やデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）の光ピックアップ装置として用いられている。

以下第１従来例として、トランジスタ素子とフォトダイオード素子とを有するＯＥＩＣ装置について説明する。

図４は第１従来例のＯＥＩＣ装置の断面構成を示している。図４に示すように、第１従来例のＯＥＩＣ装置は、低濃度のｐ型不純物を含むシリコンからなる基板１０１上に、膜厚が約４．４μｍとなるようにエピタキシャル成長された低不純物濃度のｎ型半導体層１０２が形成されており、基板１０１及びｎ型半導体層１０２には、高不純物濃度のｐ型埋め込み領域として、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ１２０が形成される領域とフォトダイオード１４０が形成される領域とを区画する分離領域１０３が設けられている。また、ｎ型半導体層１０２の上には、バイポーラトランジスタ１２０及びフォトダイオード１４０の各電極を取り出すためのコンタクト窓を有する絶縁層１０４が形成されている。

バイポーラトランジスタ１２０は、基板１０１とｎ型半導体層１０２との間に形成された高濃度のｎ型埋め込み領域であるコレクタ下部引き出し領域１２１と、ｎ型半導体層１０２にｎ型不純物が拡散されてなるコレクタ領域１２２と、コレクタ領域１２２内にさらにｐ型不純物が選択的に拡散されてなるベース領域１２３と、ベース領域１２３内にそれぞれ高濃度のｎ型不純物及び高濃度のｐ型不純物が選択的に拡散されてなるエミッタ領域１２４及びベースコンタクト領域１２５と、ｎ型半導体層１０２における前記ベース領域１２３の側方にｐ型不純物が拡散されてなるコレクタ上部引き出し領域１２６及びコレクタコンタクト領域１２７とによって構成されている。また、バイポーラトランジスタ１２０は、絶縁層１０４のコンタクト窓を介して、エミッタ領域１２４がエミッタ電極１２８と接続され、ベースコンタクト領域１２５がベース電極１２９と接続され、コレクタコンタクト領域１２７がコレクタ電極１３０と接続されている。

フォトダイオード１４０は、ｐ型シリコンからなる基板１０１とｎ型半導体層１０２との間に形成された高濃度のｎ型埋め込み領域であるカソード領域１４１と、ｎ型半導体層１０２に高濃度のｐ型不純物が拡散されてなるアノード領域１４２と、ｎ型半導体層１０２におけるアノード領域１４２の側方に高濃度のｎ型不純物が拡散されてなるカソード引き出し領域１４３及びカソードコンタクト領域１４４とによって構成されている。また、フォトダイオード１４０は、絶縁層１０４のコンタクト窓を介して、アノード領域１４２がアノード電極１４５と接続され、カソードコンタクト領域１４４がカソード電極１４６と接続されている。

第１従来例のＯＥＩＣ装置は、アノード電極１４５とカソード電極１４６との間に逆バイアス電圧を印加することにより、高濃度のアノード領域１４２と低濃度のｎ型半導体層１０２とのｐｎ接合で空乏層が形成される。この空乏層は、低濃度のｎ型半導体層１０２側に支配的に形成される。また、高濃度のカソード領域１４１と低濃度の基板１０１とのｐｎ接合でもそれと同じように空乏層が形成される。そして、これら２つの空乏層内で、フォトダイオード１４０の上面側から入射される入射光からキャリアが生成されて光電流が生じる。このとき発生する光電流の量は、入射光のｎ型半導体層１０２における入射光の吸収量に比例して増大する。入射光の吸収量は、該入射光が半導体基板の表面から内部に向けて到達する距離に依存し、表面からの深さがｔのときにおける入射光の吸収量は、入射光の吸収係数をαとすると、１−ｅｘｐ（−αｔ）で表される。高濃度のカソード領域１４１から低濃度の基板１０１に向けて伸びる空乏層は、カソード領域１４１を越えて深く入り込んだ入射光によるキャリアを捕獲するのに役立っており、波長が長いレーザ光（約７８０ｎｍのレーザ光）の受光感度を向上するために有効である。但し、基板１０１内に深く入り込んだキャリアも光電流として寄与することになるため、そのキャリアが基板１０１内を拡散移動する時間が受光素子の高域周波数特性を悪化する要因となっている。

また、第２従来例として、図５に示すように、基板１０１とｎ型半導体層１０２との間に高濃度の不純物を含む第１のｐ型半導体層２０１と低濃度の不純物を含む第２のｐ型半導体層２０２とが設けられたＯＥＩＣ装置が開発されている。

この第２従来例のＯＥＩＣ装置では、第１のｐ型半導体層２０１よりも深く入り込んだ入射光によるキャリアは、高濃度不純物で形成された第１のｐ型半導体層２０１によって吸収され、カソード領域１４１にまで達しないため、受光素子の周波数応答性を損なわない。その一方で、カソード領域１４１と第１のｐ型半導体層２０１との間の第２のｐ型半導体層２０２に形成される空乏層では、ほとんど減衰していない強い入射光によるキャリアを光電流として取り込むため、第２の従来例は受光感度を殆ど損なわずに第１従来例よりも周波数特性を向上できる利点がある。
特開昭５６−６００５４号公報 特開平０５−２７５６６９号公報

近年では、このようなＯＥＩＣ装置を光ピックアップ装置に用いる場合には、フォトダイオード１４０の受光感度をさらに向上することと、バイポーラトランジスタ１２０及びフォトダイオード１４０の動作速度及び周波数特性をさらに向上することが望まれている。光ピックアップ装置の光源としては、ＣＤ用として波長が約７８０ｎｍのレーザ光や、ＤＶＤ用として波長が約６５０ｎｍのレーザ光等があるが、ごく最近では、記録密度の向上を図るために、波長が約４１０ｎｍの青色光に対する受光感度を向上することも望まれている。

しかしながら、前記第１従来例及び第２の従来例のＯＥＩＣ装置は、ｎ型半導体層１０２を活性領域とすると共に、ｎ型半導体層１０２の上層に位置するコレクタ領域１２２をバイポーラトランジスタ１２０の活性領域としているため、例えばｎ型半導体層１０２の膜厚を厚くして５μｍ以上の膜厚にすると、フォトダイオード１４０の受光感度は向上するが、ｎ型半導体層１０２の膜厚を厚くするのに伴ってコレクタ領域１２２の膜厚が大きくなることにより、バイポーラトランジスタ１２０の高域周波数特性が損なわれてしまうという問題が生じる。そこで、バイポーラトランジスタ１２０の高域周波数特性の向上を重視して、ｎ型半導体層１０２の膜厚を小さくして１μｍ以下の膜厚にすると、バイポーラトランジスタ１２０に対する素子分離による寄生容量が小さくなってバイポーラトランジスタ１２０の高域周波数特性は向上するものの、フォトダイオード１４０の受光感度が低下する。

また、第１の従来例及び第２の従来例のフォトダイオード１４０は、ｐ型のアノード領域１４２とｎ型半導体層１０２との間のｐｎ接合による空乏層と、ｎ型のカソード領域１４１とｐ型の基板１０１との間のｐｎ接合による空乏層との２つの空乏層により、入射光によって生じるキャリアを取り込むため、これらのｐｎ接合による接合容量が大きくなって、高域周波数の伝達特性（利得）を確保できないという問題がある。前述した第２の従来例では、第１のｐ型半導体層２０１の作用効果により、第１の従来例と比べて高域周波数特性が改善されるとしたが、これらのｐｎ接合の接合容量の影響により、第２の従来例であっても高域周波数特性を十分には改善できない。さらに、第１及び第２の従来例のフォトダイオード１４０及びバイポーラトランジスタ１２０は、これらの活性領域となるｎ型半導体層１０２及びコレクタ領域１２２の周囲をｐｎ接合の分離領域１０３で囲って素子分離を行っているため、素子分離によるｐｎ接合容量がこれらの素子に付随することになり、高域周波数特性を悪化させる１つの要因となっている。

青色光に対する光吸収量は、表面から約０．２μｍまでの深さで６０％程度であり、それよりも深い位置では入射光の到達量（光吸収量）が深くなる程低下する。第１の従来例及び第２の従来例では、通常は高濃度ｐ型のベース領域１２３及び高濃度ｐ型のアノード領域１４２を同一の拡散行程で作り込んで拡散行程を共用化しているため、ベース領域１２３及びアノード領域１４２の拡散深さは０．６μｍ程度になっている。高濃度ｐ型のアノード領域１４２と低濃度のｎ型半導体層とのｐｎ接合で生じる空乏層は、アノード領域１４２の側にも生じてアノード領域１４２の表面に向けて伸びるが、その距離は大きくても０．２μｍ程度である。従って、第１の従来例及び第２の従来例の受光素子の構造では、青色光の光吸収量が小さくなる位置で受光することになり、青色光に対する受光感度を確保しにくくなっている。

そこで、アノード領域１４２を０．２μｍよりも小さくして、光変換効率の高い領域において入射光からの生成キャリアを得られるようにする必要がある。しかしながら、第１従来例及び第２従来例のＯＥＩＣ装置は、アノード領域１４２の厚さを小さくすると、ｎ型半導体層１０２に十分な空乏層を形成することができなくなるため、波長が短い光に対する受光感度を向上することが困難である。

本発明は、前記従来の問題を解決し、バイポーラトランジスタの高域周波数特性を低下させることなく、受光素子の高域周波数特性及び受光感度の向上と寄生容量の低減とが可能となるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、第１導電型で高比抵抗の第１半導体領域と、第１導電型で低比抵抗の第２半導体領域と、第２導電型で高比抵抗の第３半導体領域とを用い、第２半導体領域を第１半導体領域と第３半導体領域との間に配置して受光素子の活性層として用いる構成とする。

具体的に、本発明に係る第１の半導体受光装置は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上に形成され、受光領域を有する第２導電型の第２半導体層（ｎ型半導体層）とを備え、第１半導体層は、受光面の下側部分に、高濃度の第１導電型の不純物を含む第１領域（第１のｐ型半導体層）と、該第１領域の上に形成され第１領域よりも低濃度の第１導電型の不純物を含む第２領域（第２のｐ型半導体層）と有し、第２半導体層は、第２領域よりも高濃度の第２導電型不純物を含む第３領域（カソード領域）と、第３領域の上に形成され、第３領域よりも高濃度の第２導電型不純物を含む第４領域（高濃度カソード領域）とを有している。

第１の半導体受光装置によると、第１半導体層の第２領域を受光素子の活性領域として用いると共に、第２半導体層をバイポーラトランジスタの活性領域として用いることができる。ｐｎ接合は、第２半導体層の第３領域と第１半導体層の第２領域との間でできるｐｎ接合のみであり、第１半導体層の第２領域にできる空乏層により赤色光や赤外光を主に受光することができ、第２領域の厚さを確保して受光素子に十分な空乏領域を形成することにより受光感度を向上することができる。受光面の表層側に位置する第２半導体層においても、同じ導電型である第３領域と第４領域との不純物濃度の格差により内部電界が生じるため、生じた内部電界を利用して入射光によって生じるキャリアから光電流を得ることでき、従来例のように空乏層内のみで受光するのではなく、内部電界を利用した受光が行われるため、従来例に比べて受光感度をさらに向上することができる。また、受光のために用いるｐｎ接合が１つであるため、寄生容量が低減されることになり、受光素子の高域周波数特性が向上される。

第１の半導体受光装置において、受光領域は、第２半導体層における所定領域の周囲を素子分離絶縁膜で包囲されて所定領域内に形成されていることが好ましい。

このようにすると、第２半導体層の第３領域及び第４領域の側面が素子分離絶縁膜で電気的に絶縁されるため、ｐｎ接合のできる場所を第２半導体層の第３領域の下面に特定することができるので、受光素子の寄生容量を必要最小限まで小さくすることができ、受光素子の高域周波数特性を改善できる。

第１の半導体受光装置において、受光領域を包囲する素子分離絶縁膜のさらに外周を包囲して高濃度の第１導電型不純物を含む素子分離領域が形成されており、素子分離領域には基板電位が印加されることが好ましい。

このようにすると、受光素子に等価的に付随する寄生抵抗が小さくなり、受光素子の高域周波数特性を改善することができる。

第１の半導体受光装置において、第４領域は厚さが０．０１μｍ以上で且つ０．１５μｍ以下となるように形成されていることが好ましい。

このようにすると、青色光等の短波長の入射光をから生じるキャリアを効率的に光電流に取り込むことができる。

第１の半導体受光装置において、第４領域は、第３領域の不純物濃度の１００倍以上の第２導電型不純物を含むことが好ましい。

このようにすると、第３領域と第４領域との間に生じる内部電界を大きくして、波長が小さい入射光に対する受光感度を大きくすると共に、第２領域で生じる空乏層の距離を大きくして、波長が大きい入射光に対する受光感度を大きくすることができる。

第１の半導体受光装置において、第１半導体層において、第１領域は、受光面からの距離が入射光の吸収端よりも長くなるように配置されていることが好ましい。

このようにすると、第１領域内において入射光が確実に吸収されるため、極めて効率良く光電流を得ることができる。

第１の半導体受光装置において、第１半導体層は第１導電型の基板上に形成されており、第１領域は、基板の不純物濃度の１０００倍以上の第１導電型の不純物を含むことが好ましい。

このようにすると、第１領域内において入射光が確実に吸収されるため、極めて効率良く光電流を得ることができる。

本発明に係る第２の半導体受光装置は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された第２導電型の第２半導体層と、第２半導体層の表面から第１半導体層に達するまで形成され、第２半導体層の所定箇所を区画して受光領域及びトランジスタ領域を形成する素子分離絶縁膜とを備え、受光領域において、第１半導体層は、高濃度の第１導電型の不純物を含む第１領域と、該第１領域の上に形成され第１領域よりも低濃度の第１導電型の不純物を含む第２領域と有し、第２半導体層は、第２領域よりも高濃度の第２導電型不純物を含む第３領域と、第３領域の上に形成され、第３領域よりも高濃度の第２導電型不純物を含む第４領域とを有している。

第２の半導体受光装置によると、第１半導体層の第２領域を受光素子の活性領域として用いると共に、第２の半導体層をバイポーラトランジスタの活性領域として用いることができ、受光素子とバイポーラトランジスタの構造をそれぞれ個別に最適化することができる。バイポーラトランジスタにおいては、トランジスタ領域の側面を素子分離絶縁膜で電気的に絶縁することにより、基板に対する寄生容量を小さくしてバイポーラトランジスタの高域周波数特性を向上することができる。受光素子では、第１半導体層の第２領域の厚さを厚くして入射光の受光感度を高めることができるだけでなく、１つのｐｎ接合のみを利用して受光するため、寄生容量を小さくして受光素子の高域周波数特性を向上することができる。さらには、このような受光素子構造の最適化を図っても、バイポーラトランジスタの特性には悪影響を与えることがない。

第２の半導体受光装置において、トランジスタ領域は、第２半導体層をコレクタ領域としており、コレクタ領域の表層に形成された第１導電型のベース領域と、ベース領域内に形成された第２導電型のエミッタ領域とを有していることが好ましい。

また、第２の半導体受光装置において、トランジスタ領域は、第２半導体層の底部に高濃度の第２導電型埋め込み領域が形成されており、受光領域における第１半導体層の第１領域と同一の半導体層が第２導電型埋め込み領域の底部から離間した下層部に形成されていることが好ましい。

このようにすると、第２導電型埋め込み領域は、低不純物濃度である第１半導体層の第２領域とのｐｎ接合により、周辺部の素子との絶縁分離がなされるため、基板に対する寄生容量が小さく高域周波数特性の優れたバイポーラトランジスタを構成することができるだけでなく、第１領域と同じ半導体層が下層部にあることにより、基板抵抗を小さくして基板に漏れる電流に起因したノイズの混入を小さくすることができ、ＳＮ比の良好なＯＥＩＣ装置にすることができる。

第２の半導体受光装置において、第１半導体層の第１領域は、トランジスタ領域と受光領域とのそれぞれに対応して別れて形成されていることが好ましい。

このようにすると、受光領域直下の基板部分と、トランジスタ領域直下の基板部分との間の基板抵抗を大きくして、これらの電気的結合を小さくすることができる。そのため、バイポーラトランジスタの増幅動作によるコレクタ領域の電位変動が、基板と第２導電型埋め込み領域との間の寄生容量を通じて受光素子に混入しにくくなり、バイポーラトランジスタの信号が受光素子に混入することを抑制できる。

第２の半導体受光装置において、トランジスタ領域における第２半導体層と、受光領域における第２半導体層との離間距離が１０μｍ以上に設定されていることが好ましい。

このようにすると、バイポーラトランジスタと受光素子との間の誘導結合を小さくすることができるため、バイポーラトランジスタで増幅した交流信号が受光素子に混入することを抑制することができるので、信号の混入に起因するＳＮ比の悪化も抑制できる。

本発明の半導体受光装置によると、第２半導体層の一部分をバイポーラトランジスタの活性層として用いることができるので、バイポーラトランジスタの特性を劣化させることなく、第１半導体層の第２領域に十分な厚さを確保して入射光に対する受光感度を向上することができる。また、第１半導体層の第２領域に十分な厚さを確保することにより、受光素子の寄生容量を増大させることなく入射光に対する受光感度を向上することができる。さらに、基板の深層部で生じたキャリアは第１領域により吸収されて拡散移動が停止されるため、受光素子の高域周波数特性が低下することがない。

本発明の一実施形態に係る半導体受光装置について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る半導体受光装置の断面構成を示している。図１に示すように、例えば、ｐ型シリコンからなる基板１１上には、高濃度のｐ型不純物を含む第１のｐ型半導体層（第１半導体層の第１領域）１２と、該第１のｐ型半導体層１２よりも低濃度のｎ型不純物を含む第２のｐ型半導体層（第１半導体層の第２領域）１３と、該第２のｐ型半導体層よりも高濃度のｎ型不純物を含むｎ型半導体層（第２半導体層）１４とが順次形成されており、第２のｐ型半導体層１３に高濃度の不純物が選択的に拡散されてなる素子分離領域１５，１５Ａ及びｎ型半導体層１４の上面側から選択的に形成された素子分離絶縁膜１６によって、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ２０が形成される領域と、カソードコモン型のフォトダイオード４０が形成される領域とが区画されている。

ここで、第２のｐ型半導体層１３は、膜厚が約１１μｍで且つｐ型不純物濃度が約１×１０¹⁴ｃｍ^-3となるように基板１１上にエピタキシャル成長により形成されており、ｎ型半導体層１４は、膜厚が約１μｍで且つｎ型不純物濃度が約７×１０¹⁵ｃｍ^-3となるように第２のｐ型半導体層１３の上にエピタキシャル成長により形成されている。

また、第１のｐ型半導体層１２は、基板１１と第２のｐ型半導体層１３との間に全面にわたって形成された埋め込み領域であり、濃度が約１×１０¹⁸ｃｍ^-3となるように形成されている。また、第１のｐ型半導体層１２は基板１１の上面から第２のｐ型半導体層１３側へと拡散される幅が５μｍ程度となるように形成されており、これにより第２のｐ型半導体層１３の残部の厚さ（すなわち、第１のｐ型領域１２の上面からｎ型半導体層１４の下面までの距離）は約６μｍである。

バイポーラトランジスタ２０が形成される領域において、第２のｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１４との間には高濃度のｎ型埋め込み領域（第２導電型埋め込み領域）であるコレクタ下部引き出し領域２１が設けられ、ｎ型半導体層１４におけるコレクタ下部引き出し領域２１の上側に位置する部分は、素子分離絶縁膜１６と同様の絶縁膜１６Ａが選択的に設けられており、ｎ型半導体層１４はコレクタ領域２２とコレクタ引き出し領域２３とに区画されている。

ｎ型半導体層１４におけるコレクタ領域２２の上側の部分には、ｐ型不純物が選択的に拡散されてなるベース領域２４と、該ベース領域２４の端部にｐ型多結晶半導体膜２５から高濃度のｐ型不純物が拡散されてなるベースコンタクト領域２６と、該ベースコンタクト領域２６の間におけるベース領域２４内にｎ型多結晶半導体膜２７から高濃度のｎ型不純物が拡散されてなるエミッタ領域２８とが設けられている。また、ｎ型半導体層１４におけるコレクタ引き出し領域２３の上側には、ｎ型多結晶半導体膜２９から高濃度のｎ型不純物が拡散されてなるコレクタコンタクト領域３０が設けられている。

フォトダイオード４０が形成される領域において、素子分離領域１５Ａによって囲まれた部分には、素子分離絶縁膜１６と同等の絶縁膜１６Ｂが選択的に設けられており、アノード引き出し領域４１とカソード領域（第３領域）４２とが区画されている。ここで、アノード引き出し領域４１は、ｎ型半導体層１４にｐ型不純物が拡散されることにより素子分離領域１５Ａと接続された領域であり、素子分離領域１５Ａがアノードの一部分として機能する。また、ｎ型半導体層１４の上面における絶縁膜１６Ｂによって囲まれた領域がフォトダイオードの受光領域１４ａとなる。

アノード引き出し領域４１の上側部分には、高濃度のｐ型不純物を導入したｐ型多結晶半導体膜４３が設けられている。また、ｎ型半導体層１４におけるカソード領域４２の上側部分には、高濃度のｎ型不純物が拡散されてなる高濃度カソード領域（第４領域）４５が設けられている。また、カソード領域４２と高濃度カソード領域４５の端部には、ｎ型多結晶半導体膜４６から高濃度のｎ型不純物が拡散されてなるカソードコンタクト領域４７が形成されている。

ここで、高濃度カソード領域４５のｎ型不純物濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、ｎ型半導体層１４の表面（すなわち受光面）からの深さは約０．１μｍである。

さらに、フォトダイオード４０が形成される領域において、高濃度カソード領域４５の上には酸化シリコンからなる反射防止膜４８が形成されている。

この反射防止膜４８は、バイポーラトランジスタ２０のｐ型多結晶半導体膜２５及びｎ型多結晶半導体膜２７，２９並びにフォトダイオード４０のｐ型多結晶半導体膜４３及びｎ型多結晶半導体膜４６の一部分をそれぞれに開口する複数のコンタクト窓を有しており、バイポーラトランジスタ２０及びフォトダイオード４０の素子本体部と電極との間を絶縁する絶縁膜として機能する。具体的に、反射防止膜４８のコンタクト窓を通して、バイポーラトランジスタ２０には、ｐ型多結晶半導体膜２５を介してベースコンタクト領域２６に接続されるベース電極３１と、ｎ型多結晶半導体膜２７を介してエミッタ領域２８に接続されるエミッタ電極３２と、ｎ型多結晶半導体膜２９を介してコレクタコンタクト領域３０に接続されるコレクタ電極３３とが設けられており、フォトダイオード４０には、ｐ型多結晶半導体膜４３を介してアノードコンタクト領域４４と接続されるアノード電極４９と、ｎ型多結晶半導体膜４６を介してカソードコンタクト領域４７と接続されるカソード電極５０とが設けられている。

なお、詳述は省略するが、バイポーラトランジスタ２０及びフォトダイオード４０において、ｐ型多結晶半導体膜２５及びｐ型多結晶半導体膜４３には、製造プロセスにおいて保護膜として用いる上部絶縁膜５１及びサイドウォール５２が設けらている。特に、バイポーラトランジスタ２０においては、サイドウォール５２をマスクとして用いることによりエミッタ領域２８が自己整合的に形成される。

以上のように構成された半導体受光装置において、第２のｐ型半導体層１３は、第１のｐ型半導体層１２及びｎ型半導体層１４と比べて抵抗率が高く、アノード電極及びカソード電極に逆バイアスの電圧を印加することにより、第１のｐ型半導体層１２とカソード領域４２との間に空乏領域が形成され、第２のｐ型半導体層１３の厚さ方向の全体にわたる領域が光電流に寄与することとなる。ここで、第２のｐ型半導体層１３は、入射光の吸収端よりも長くなるように十分な厚さが確保されており、フォトダイオード４０の受光効率は第１従来例のフォトダイオードと比べて向上されている。

また、本実施形態の半導体受光装置において、第１のｐ型半導体層１２のｐ型不純物濃度は基板１１に比べて高濃度であるため、基板１１内に入射光によるキャリアが発生したとしても、第１のｐ型半導体層１２でキャリアが吸収されて拡散移動を停止するので、フォトダイオードの高域周波数特性の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態の半導体受光装置では、第１のｐ型半導体層１２の上側に形成された１つの空乏層を光電流に寄与する領域としているため、カソード領域の上下に形成された２つの空乏層を利用している第２従来例のフォトダイオードと比べて、寄生容量が低減され、フォトダイオード４０の高域周波数特性を向上することができる。

また、本実施形態の半導体受光装置において、ｎ型半導体層１４を高不純物濃度に形成することにより、フォトダイオード４０のカソード領域４２として用いていると共に、バイポーラトランジスタ２０のコレクタ領域２２として用いることができる。従って、膜厚が１μｍ程度のｎ型半導体層１４内に、コレクタ領域２２ベース領域２４及びエミッタ領域２８を設けて、それらの側面を素子分離絶縁膜１６及びそれと同様の絶縁膜１６Ａで電気的に絶縁することができるので、バイポーラトランジスタ２０が第１従来例及び第２従来例のバイポーラトランジスタよりも高速化することができる。

また、本実施形態の半導体受光装置において、カソード領域４２の上に高濃度カソード領域４５を設けているため、ｎ型不純物の濃度勾配に基づいてカソード領域４２と高濃度カソード領域４５との間に内部電界が生じることとなる。従って、入射光から生じたキャリアのうち、受光面から０．２μｍ程度の近傍領域で生じたキャリアを、カソード領域４２と高濃度カソード領域４５との間の内部電界を利用して光電流へと取り込むことができるため、第２のｐ型半導体層１３の内部にできる空乏層以外にも光電流に寄与する領域を構成することができるので、受光感度を高めることができる。特に、波長が短い入射光（具体的には青色光）に対して受光感度を向上することができる。

以下、本実施形態の半導体受光装置の変形例について図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体受光装置の断面構成を示している。図２において図１と同一の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図２に示すように、第１変形例の半導体受光装置では、図１の第１のｐ型半導体層１２に換えて、バイポーラトランジスタ２０を形成するトランジスタ領域とフォトダイオード４０を形成する領域とそれぞれに分けて形成されたｐ型埋込み領域１２Ａ，１２Ｂを選択的に形成している。

ＯＥＩＣ装置において、バイポーラトランジスタ２０は、フォトダイオード４０が受光した信号を入力信号として増幅動作を行うように回路が構成されている。従って、増幅された大振幅の信号がコレクタ下部引き出し領域２１に重畳するため、コレクタ下部引き出し領域２１と第２のｐ型半導体層１３との間の寄生容量により、交流信号が基板内に漏れて直下の基板電位を変動させることになる。

しかし、図２に示すように、バイポーラトランジスタ２０直下のｐ型埋め込み領域１２Ａと、フォトダイオード４０直下のｐ型埋め込み領域１２Ｂとに分けて選択的に形成すると、この間の基板抵抗を大きくして、これらの電気的結合を小さくすることができる。そのため、バイポーラトランジスタ２０の増幅動作で生じる交流信号が寄生容量を通じてフォトダイオード４０に混入しにくくなるので、バイポーラトランジスタ２０の信号がフォトダイオード４０に混入することを抑制できる。

なお、第１変形例の半導体受光装置において、バイポーラトランジスタ２０に形成されたｐ型埋込み領域１２Ａは省略されていてもよい。

図３は、本発明の一実施形態の第２変形例に係る半導体受光装置の断面構成を示している。図３において図１と同一の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図３に示すように、第２変形例の半導体受光装置では、バイポーラトランジスタ２０とフォトダイオード４０とが所定の間隔を置いて形成されており、素子分離絶縁膜１６の横幅が大きくされている点が図１の半導体受光装置と異なっており、このようにすると、バイポーラトランジスタ２０とフォトダイオード４０との間の誘導結合を小さくすることができるため、バイポーラトランジスタ２０で増幅した交流信号がフォトダイオードに混入することを抑制することができるので、信号の混入に起因するＳＮ比の悪化も抑制できる。但し、所定の間隔とは、１０μｍ以上の離間距離であり、離間距離を大きくすればする程誘導結合を小さくすることができ効果的である。しかし、離間距離を大きくするとＯＥＩＣ装置の集積度が悪化するため、離間距離は１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲にすることが好ましい。

なお、本実施形態の半導体受光装置及びその各変形例において、基板１１及び第１のｐ型半導体層１２の不純物濃度は前述した値に限られず、第１のｐ型半導体層１２の不純物濃度が基板１１の１０００倍以上であればよい。このようにすると、基板１１内で生じたキャリアの拡散を第１のｐ型半導体層１２によって確実に防止することができ、周波数特性が低減されることがない。

また、本実施形態の半導体受光装置及びその各変形例において、カソード領域４２及び高濃度カソード領域４５の不純物濃度は前述した値に限られず、高濃度カソード領域４５の不純物濃度がカソード領域４２の１００倍以上であればよい。このようにすると、カソード領域４２と高濃度カソード領域４５との間の内部電界を利用して、入射光により発生したキャリアを光電流として用いることができ、受光に寄与する領域を大きくして受光感度の向上を図ることができる。また、高濃度カソード領域４５の厚さ寸法は、０．１μｍに限られず、０．０１μｍ以上で且つ０．１５μｍ以下の範囲にあれば、青色の入射光に対しても十分な受光感度を実現できる。

本発明に係る半導体受光装置は、バイポーラトランジスタの特性を低下させることなく、受光素子の周波数特性及び受光感度の向上と寄生容量の低減とを可能にし、バイポーラトランジスタと受光素子とを同一の基板上に形成する光電子集積回路装置等として有用である。

本発明の一実施形態に係る半導体受光装置の示す構成断面図である。 本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体受光装置の示す構成断面図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係る半導体受光装置の示す構成断面図である。 第１従来例のＯＥＩＣ装置を示す構成断面図である。 第２従来例のＯＥＩＣ装置を示す構成断面図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 第１のｐ型半導体層（第１半導体層／第１領域）
１３ 第２のｐ型半導体層（第１半導体層／第２領域）
１４ ｎ型半導体層（第２半導体層）
１４ａ 受光領域
１５ 素子分離領域
１６ 素子分離絶縁膜
２０ バイポーラトランジスタ
２１ コレクタ下部引き出し領域
２２ コレクタ領域
２３ コレクタ引き出し領域
２４ ベース領域
２５ ｐ型多結晶半導体膜
２６ ベースコンタクト領域
２７ ｎ型多結晶半導体膜
２８ エミッタ領域
２９ ｎ型多結晶半導体層
３０ コレクタコンタクト領域
３１ ベース電極
３２ エミッタ電極
３３ コレクタ電極
４０ フォトダイオード
４１ カソード引き出し領域
４２ カソード領域（第３領域）
４３ ｐ型多結晶半導体膜
４５ 高濃度カソード領域（第４領域）
４６ ｎ型多結晶半導体膜
４７ カソードコンタクト領域
４８ 反射防止膜
４９ アノード電極
５０ カソード電極
５１ 上部絶縁膜
５２ サイドウォール

Claims (11)

1. 第１導電型の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に形成され、受光領域を有する第２導電型の第２半導体層とを備え、
   前記第１半導体層は、高濃度の第１導電型の不純物を含む第１領域と、該第１領域の上に形成され前記第１領域よりも低濃度の第１導電型の不純物を含む第２領域と有し、
   前記第２半導体層は、前記第２領域よりも高濃度の第２導電型不純物を含む第３領域と、
   前記第３領域の上に形成され、前記第３領域よりも高濃度の第２導電型不純物を含む第４領域とを有していることを特徴とする半導体受光装置。
2. 前記受光領域は、前記第２半導体層における所定領域の周囲を素子分離絶縁膜で包囲されて、前記所定領域内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置。
3. 前記受光領域を包囲する素子分離絶縁膜のさらに外周を包囲して高濃度の第１導電型不純物を含む素子分離領域が形成されており、
   前記素子分離領域には基板電位が印加されることを特徴とする請求項２に記載の半導体受光装置。
4. 前記第４領域は厚さが０．０１μｍ以上で且つ０．１５μｍ以下となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体受光装置。
5. 前記第４領域は、前記第３領域の不純物濃度の１００倍以上の第２導電型不純物を含むことを特徴とする請求項４項に記載の半導体受光装置。
6. 前記第１半導体層は第１導電型の基板上に形成されており、
   前記第１領域は、前記基板の不純物濃度の１０００倍以上の第１導電型の不純物を含むことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の半導体受光装置。
7. 第１導電型の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に形成された第２導電型の第２半導体層と、
   前記第２半導体層の表面から前記第１半導体層に達するまで形成され、前記第２半導体層の所定箇所を区画して受光領域及びトランジスタ領域を形成する素子分離絶縁膜とを備え、
   前記受光領域において、
   前記第１半導体層は、高濃度の第１導電型の不純物を含む第１領域と、該第１領域の上に形成され前記第１領域よりも低濃度の第１導電型の不純物を含む第２領域と有し、
   前記第２半導体層は、前記第２領域よりも高濃度の第２導電型不純物を含む第３領域と、前記第３領域の上に形成され、前記第３領域よりも高濃度の第２導電型不純物を含む第４領域とを有していることを特徴とする半導体受光装置。
8. 前記トランジスタ領域は、前記第２半導体層をコレクタ領域としており、
   前記コレクタ領域の表層に形成された第１導電型のベース領域と、
   前記ベース領域内に形成された第２導電型のエミッタ領域とを有していることを特徴とする請求項７に記載の半導体受光装置。
9. 前記トランジスタ領域は、前記第２半導体層の底部に高濃度の第２導電型埋め込み領域が形成されており、前記受光領域における前記第１半導体層の前記第１領域と同一の半導体層が前記第２導電型埋め込み領域の底部から離間した下層部に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体受光装置。
10. 前記第１半導体層の第１領域は、前記トランジスタ領域と前記受光領域とのそれぞれに対応して別れて形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体受光装置。
11. 前記トランジスタ領域における前記第２半導体層と、前記受光領域における前記第２半導体層との離間距離が１０μｍ以上に設定されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体受光装置。

Images