JP2008010776A - 半導体受光素子、それを備えた光電変換回路およびそれらの製造方法 - Google Patents

半導体受光素子、それを備えた光電変換回路およびそれらの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 短波長範囲の信号光に対しても高い量子効率を有する半導体受光素子、それを備えた光電変換回路およびそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体受光素子(100)は、半導体基板(1)と、半導体基板上に設けられ半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層(2)と、第1半導体層上に設けられ第1のバンドギャップエネルギを有し第1半導体層よりも低濃度の第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層(3)と、第2半導体層上に設けられ第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層(10)と、第3半導体層上に設けられ第1のバンドギャップよりも大きい第2のバンドギャップを有し層厚が5nm以上50nm以下であり光入射側となる第4半導体層(8)とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体受光素子、それを備えた光電変換回路およびそれらの製造方法に関する。
光電子集積回路は、PIN型フォトダイオード等の受光素子とヘテロ接合バイポーラトランジスタ等の電子素子とが同一の基板上にモノシリックに集積化された構造を有している。PIN型の受光素子は、集積の容易さ、素子間の絶縁の容易さを実現するために、主としてメサ型に形成されている。例えば、InP基板上に、InGaAsからなるPIN型フォトダイオードが形成され、InPからなる保護層を備えるPIN型の受光素子が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
InPからなる保護層は長波長側において広い透過波長範囲を有することから、特許文献1に係る受光素子は、主に光ファイバ通信システムに使用される1260nm〜1620nmの長波長範囲の信号光に対して有効である。ここで、InPはバンドギャップエネルギ波長である0.92μm以下の短波長範囲に吸収特性を有している。したがって、マルチモードファイバが使用されかつ850nmを信号波長とする通信システムにおいては、InP保護層において信号光の大半が吸収されてしまう。その結果、十分な感度特性が得られない。これは、上記InP保護層で発生したキャリアが受光素子と上記InP保護層との間のエネルギ障壁によって受光素子側に流れ出すことができず、このため、上記InP保護層で発生したキャリアが受光感度に寄与できないからである。
近年、このような850nmを信号波長とする短波長通信システムの高速化、高機能化(小型化、低コスト化等)等に対する要求が著しい。従来、850nmを信号波長とする通信システムにおいては、シリコンフォトダイオードが用いられている。
しかしながら、シリコンフォトダイオードの光吸収層(Si)の厚さを制御することは困難である。したがって、シリコンフォトダイオードの高速化に限界がある。また、材料系の不一致を理由として、高速化を可能とするInP系電子デバイス(例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)との光電素子集積化ができなくなっている。
特開平9−213988号公報
ところで、InGaAsのバンドギャップエネルギは狭いことから、InGaAs表面は非常に不安定になる。この場合、SiN膜のような誘電体膜によってInGaAs表面を安定保護することは困難である。そのため、InGaAs表面に発生キャリアのトラップ準位が多数存在してしまう。特に、吸収係数が大きい短波長範囲の信号光においては、表面トラップによる感度低下が著しくなる。
本発明は、短波長(例えば0.92μm以下)範囲の信号光に対しても高い量子効率を有する半導体受光素子、それを備えた光電変換回路およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体受光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、第1半導体層上に設けられ第1のバンドギャップエネルギを有し第1半導体層よりも低濃度の第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、第2半導体層上に設けられ第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層と、第3半導体層上に設けられ第1のバンドギャップよりも大きい第2のバンドギャップを有し層厚が5nm以上50nm以下であり光入射側となる第4半導体層とを備えることを特徴とするものである。
本発明に係る半導体受光素子においては、第4半導体層を透過した光が第1〜第3半導体層において受光される。第4半導体層の層厚が50nm以下になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない発生キャリア数が第4半導体層において少なくなる。第4半導体層の層厚が5nm以上になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない表面トラップが第3半導体層において発生しなくなる。したがって、受光感度として寄与する第1〜第3半導体層における発生キャリアが増加し、量子効率が向上する。その結果、本発明に係る半導体受光素子は、従来の長波長範囲の入射光だけではなく、短波長範囲の入射光に対しても高い量子効率を実現する。
第1〜第3半導体層の側壁に設けられ第2のバンドギャップエネルギを有し層厚が100nm以上である第5半導体層をさらに備えていてもよい。この場合、本発明に係る半導体受光素子の暗電流が低減される。したがって、本発明に係る半導体素子の高信頼性を維持することができる。
第3半導体層上または第4半導体層上に設けられた電極をさらに備えていてもよい。また、第5半導体層と第4半導体層との層厚差は、50nm以上であってもよい。この場合、本発明に係る半導体受光素子の暗電流が低減される。したがって、本発明に係る半導体素子の高信頼性を維持することができる。
本発明に係る他の半導体受光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、第1半導体層上に設けられ第1のバンドギャップエネルギを有し第1半導体層よりも低濃度の第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、第2半導体層上に設けられ第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギよりも大きい第2のバンドギャップエネルギを有し層厚が5nm以上50nm以下であり光入射側となる第3半導体層とを備えることを特徴とするものである。
本発明に係る他の半導体受光素子においては、第3半導体層を透過した光が第1および第2半導体層において受光される。第3半導体層の層厚が50nm以下になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない発生キャリア数が第3半導体層において少なくなる。第3半導体層の層厚が5nm以上になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない表面トラップが第2半導体層において発生しなくなる。したがって、受光感度として寄与する第1〜第3半導体層における発生キャリアが増加し、量子効率が向上する。その結果、本発明に係る半導体受光素子は、従来の長波長範囲の入射光だけではなく、短波長範囲の入射光に対しても高い量子効率を実現する。
第3半導体層上に設けられた電極をさらに備えていてもよい。また、第1〜第3半導体層の側壁に設けられ第2のバンドギャップエネルギを有し層厚が100nm以上である第4半導体層をさらに備えていてもよい。この場合、本発明に係る半導体受光素子の暗電流が低減される。したがって、本発明に係る半導体素子の高信頼性を維持することができる。また、第4半導体層と第3半導体層との層厚差は、50nm以上であってもよい。
第2のバンドギャップエネルギを有する半導体層は、InPからなるものであってもよい。InPは短波長に対して比較的高い吸収係数を有するが、第3半導体層または第4半導体層の層厚が5nm以上50nm以下と小さいことから、第1〜第3半導体層の量子効率を向上させることができる。なお、InPは、層厚の制御が容易である。したがって、第3半導体層または第4半導体層の層厚を容易に5nm〜50nmの範囲にすることができる。また、第1のバンドギャップエネルギを有する半導体層は、InGaAsからなるものであってもよい。また、第1半導体層の上面側または半導体基板の下面側のいずれか一方に電極をさらに備えていてもよい。
本発明に係る光電変換回路は、請求項1〜11のいずれかに記載の半導体受光素子と、半導体基板上において半導体受光素子とモノシリックに集積化され半導体受光素子と電気的に接続された電子素子とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る光電変換回路においては、半導体受光素子が入射光の波長範囲にかかわらず高い量子効率を実現する。なお、電子素子は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタであってもよい。また、半導体基板上に半導体受光素子とモノシリックに集積化され、半導体受光素子と電気的に接続されたキャパシタおよび抵抗器をさらに備えていてもよい。
本発明に係る半導体受光素子の製造方法は、半導体基板上に、半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、第1のバンドギャップエネルギを有し第1半導体層よりも低濃度の第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層と、第1のバンドギャップエネルギよりも大きい第2のバンドギャップエネルギを有する第4半導体層とを順に積層する工程と、第1〜第3半導体層の側壁を露出させるエッチング処理を施す工程と、第4半導体層上面および第3半導体層上面の露出部にマスキングする工程と、第1、第2および第3半導体層の側壁に第2のバンドギャップエネルギを有する第5半導体層を形成する工程とを含み、第4半導体層の層厚が5nm以上50nm以下であることを特徴とするものである。
本発明に係る半導体受光素子の製造方法においては、第4半導体層を最初の形成工程において形成し、第4半導体層上を保護してから第1、第2および第3半導体層の側壁へのみ選択的に第5半導体層を形成しているので、第4半導体層上に他の半導体層を再成長させる必要がない。この場合、第4半導体層上に再成長界面が発生しない。それにより、第4半導体層を良好な表面を持つ受光窓として用いることができる。また、第4半導体層の層厚が50nm以下になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない発生キャリア数が第4半導体層において少なくなる。第4半導体層の層厚が5nm以上になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない表面トラップが第3半導体層において発生しなくなる。したがって、本発明に係る半導体受光素子においては、受光感度として寄与する第1〜第3半導体層における発生キャリアが増加し、量子効率が向上する。その結果、本発明に係る半導体受光素子は、従来の長波長範囲の入射光だけではなく、短波長範囲の入射光に対しても高い量子効率を実現する。
第5半導体層の層厚は、100nm以上であってもよい。この場合、本発明に係る半導体受光素子の暗電流が低減される。したがって、本発明に係る半導体素子の高信頼性を維持することができる。
本発明に係る半導体受光素子の他の製造方法は、半導体基板上に、半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、第1のバンドギャップエネルギを有し第1半導体層よりも低濃度の第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層とを順に積層する工程と、第1〜第3半導体層の側壁を露出させるエッチング処理を施す工程と、第1〜第3の側壁と第3半導体層の上面とを覆うように前記第2のバンドギャップエネルギを有する第4半導体層を形成する工程と、第3半導体層上の第4半導体層に対して選択エッチング処理を施す工程とを含み、第3半導体層上の第4半導体層の層厚は、5nm以上50nm以下であることを特徴とするものである。
本発明に係る半導体受光素子の他の製造方法においては、第3半導体層上面の第4半導体層および第1〜第3の側壁の第4半導体層を一度の工程で形成することができる。したがって、製造工程が簡略化される。また、第4半導体層上に他の半導体層を再成長させる必要がない。この場合、第4半導体層上に再成長界面が発生しない。それにより、第4半導体層を良好な表面を持つ受光窓として用いることができる。また、第3半導体層上の第4半導体層の層厚が50nm以下になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない発生キャリア数が第4半導体層において少なくなる。第3半導体層上の第4半導体層の層厚が5nm以上になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない表面トラップが第3半導体層において発生しなくなる。したがって、本発明に係る半導体受光素子においては、受光感度として寄与する第1〜第3半導体層における発生キャリアが増加し、量子効率が向上する。その結果、本発明に係る半導体受光素子は、従来の長波長範囲の入射光だけではなく、短波長範囲の入射光に対しても高い量子効率を実現する。
第1〜第3の側壁を覆う第4半導体層の層厚は、100nm以上であってもよい。この場合、本発明に係る半導体受光素子の暗電流が低減される。したがって、本発明に係る半導体素子の高信頼性を維持することができる。
本発明に係る半導体受光素子のさらに他の製造方法は、半導体基板上に、半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、第1のバンドギャップエネルギを有し第1半導体層よりも低濃度の第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層とを順に積層する工程と、第1〜第3半導体層の側壁を露出させるエッチング処理を施す工程と、第3半導体層上面および第1半導体層上面の露出部の一部にマスキングする工程と、第1〜第3半導体層の側壁に第1のバンドギャップよりも大きい第2のバンドギャップエネルギを有する第4半導体層を形成する工程と、第3半導体層上に前記第2のバンドギャップエネルギを有する第5半導体層を形成する工程とを含み、第5半導体層の層厚は5nm以上50nm以下であることを特徴とするものである。
本発明に係る半導体受光素子のさらに他の製造方法においては、第1〜第3半導体層の側壁に第4半導体層を形成した後に第5半導体層を形成するため、後続プロセスにおいて第5半導体層への熱的影響が少なくなる。すなわち、製造過程において最大温度となる半導体エピタキシャル成長プロセスが第5半導体層に対して行われない。また、第5半導体層上に他の半導体層を再成長させる必要がない。この場合、第5半導体層上に再成長界面が発生しない。それにより、第5半導体層を良好な表面を持つ受光窓として用いることができる。また、第5半導体層の層厚が50nm以下になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない発生キャリア数が第5半導体層において少なくなる。第5半導体層の層厚が5nm以上になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない表面トラップが第3半導体層において発生しなくなる。したがって、本発明に係る半導体受光素子においては、受光感度として寄与する第1〜第3半導体層における発生キャリアが増加し、量子効率が向上する。その結果、本発明に係る半導体受光素子は、従来の長波長範囲の入射光だけではなく、短波長範囲の入射光に対しても高い量子効率を実現する。
第4半導体層の層厚は、100nm以上であってもよい。この場合、本発明に係る半導体受光素子の暗電流が低減される。したがって、本発明に係る半導体素子の高信頼性を維持することができる。
本発明に係る光電変換回路の製造方法は、半導体基板上に、半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、第1のバンドギャップエネルギを有し第1半導体層よりも低濃度の第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層と、第1のバンドギャップエネルギよりも大きい第2のバンドギャップエネルギを有する第4半導体層と、第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第5半導体層を順に積層する工程と、第1〜第4半導体層からなる第1メサを受光領域とし第1〜第4および第5半導体層からなる第2メサをトランジスタ領域として形成する工程と、第1メサにおける第1〜第3半導体層の側壁に第2のバンドギャップエネルギを有する第6半導体層を形成する工程とを含み、第4半導体層の層厚は5nm以上50nm以下であることを特徴とするものである。
本発明に係る光電変換回路の製造方法においては、半導体受光素子の第1〜第4半導体層と電子素子の第1〜第4半導体層との共用化が可能である。また、半導体受光素子および電子素子を形成する際のプロセスの共通化および集積化プロセスの簡易化が可能となる。また、第4半導体層の層厚が50nm以下になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない発生キャリア数が第4半導体層において少なくなる。第4半導体層の層厚が5nm以上になると、短波長範囲の入射光に対する感度に寄与しない表面トラップが第3半導体層において発生しなくなる。したがって、本発明に係る光電変換回路においては、受光感度として寄与する第1〜第3半導体層における発生キャリアが増加し、量子効率が向上する。その結果、本発明に係る光電変換回路は、従来の長波長範囲の入射光だけではなく、短波長範囲の入射光に対しても高い量子効率を実現する。
第6半導体層の層厚は、100nm以上であってもよい。この場合、本発明に係る光電変換回路の半導体受光素子の暗電流が低減される。したがって、本発明に係る光電変換回路の高信頼性を維持することができる。
本発明によれば、半導体受光素子およびそれを備えた光電変換回路は、短波長(0.92μm以下)範囲の信号光に対して高い量子効率を有し、かつ低暗電流特性および高信頼性を維持することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施例に係る半導体受光素子100の模式的断面図である。図1に示すように、半導体受光素子100は、半導体基板1上に、n型半導体層2、第1i型半導体層3およびp型半導体層10が順に積層された構造を有する。第1i型半導体層3およびp型半導体層10は、メサ型に形成され、円柱台状の第1メサ部を一体として構成している。n型半導体層2は、メサ型に形成され、第1メサ部の底面下に配置された円錐台状の第2メサ部を単独で構成している。第2メサ部は、第1メサ部底面よりも大きい底面を有する。
また、第2メサ上の第1メサ以外の領域であって第1i型半導体層3と離れた領域に、n型電極7が形成されている。n型電極7は、n型半導体層2とオーミック接触している。第1メサ部上には、リング状にp型電極6が形成されている。p型電極6は、p型半導体層10とオーミック接触している。p型半導体層10上のp型電極6の内部には、第2i型半導体層8が形成されている。
さらに、n型電極7からp型電極6にかけて、パッシベーション半導体層4が形成されている。すなわち、パッシベーション半導体層4は、n型半導体層2上から、第1i型半導体層およびp型半導体層10の側壁を通って、p型半導体層10の上面にかけて形成されている。また、半導体基板1上と、n型半導体層2の側壁と、パッシベーション半導体層4の表面と、p型半導体層10と第2i型半導体層8とを覆うように、パッシベーション絶縁膜5が形成されている。ただし、パッシベーション絶縁膜5は、n型電極7およびp型電極6上に開口部を有している。
半導体基板1は、例えばInPからなる。n型半導体層2は、半導体基板1と格子整合するn型InGaAsからなる。n型半導体層2のNキャリア濃度は、1×1018cm−3程度である。n型半導体層2のドーパントは、例えばSiである。n型半導体層2の層厚は、1μm程度である。第1i型半導体層3は、実質的にアンドープのInGaAsからなる。ここでいう「実質的にアンドープ」とは、ドーパントが意図的にドープされていない状態のことをいう。第1i型半導体層3の層厚は、2μm程度である。
p型半導体層10は、p型InGaAsからなる。p型半導体層10は、Pキャリア濃度が2×1018cm−3程度で層厚が0.1μm程度の第1層と、Pキャリア濃度が1×1019cm−3程度で層厚が0.2μm程度の第2層とが順に積層された構造を有する。p型半導体層10のドーパントは、例えばZnである。第2i型半導体層8は、実質的にアンドープのInPからなる。第2i型半導体層8の層厚は、後述する。パッシベーション半導体層4は、実質的にアンドープのInPからなる。パッシベーション半導体層4の層厚は、後述する。
パッシベーション絶縁膜5は、絶縁体からなる。パッシベーション絶縁膜5を構成する絶縁体として、シリコン、アルミニウム、チタン等のフッ化物、酸化物、窒化物等を用いることができる。本実施例においては、SiNからなる絶縁体を用いている。第2i型半導体層8上のパッシベーション絶縁膜5は、反射防止膜として機能する。
次に、図2および図3を参照しつつ、第2i型半導体層8の層厚について説明する。図2は、850nmの波長光を入射光として用いた場合における、第2i型半導体層8の層厚と入射面に第2i型半導体層8が設けられたInGaAsの量子効率との関係を示す図である。図2の横軸は第2i型半導体層8の層厚を示し、図2の縦軸は第2i型半導体層8の層厚と入射面に第2i型半導体層8が設けられたInGaAsの量子効率を示す。図3は、第2i型半導体層8の層厚が5nm以上50nm以下の場合における、バンドギャップエネルギおよび発生キャリア密度の概念図である。
図2に示すように、第2i型半導体層8が0nmの場合においては、InGaAsの量子効率は50%程度である。これは、InGaAsの表面が非常に不安定であり、InGaAs表面に発生キャリアのトラップ準位が多数存在しているからである。
第2i型半導体層8の層厚が5nm以上50nm以下の範囲においては、InGaAsの量子効率は80%を超えている。この場合、半導体受光素子100の量子効率は、シリコンフォトダイオードの量子効率を上回る。これは、図3に示すように、第2i型半導体層8の層厚が5nm以上50nm以下の範囲にある場合には、第2i型半導体層8における発生キャリア数が少なくなるからである。
したがって、InPが920nm以下の短波長光に対して大きい吸収効率を有しているとしても、InPの層厚を5nm以上50nm以下の範囲に設定することによってInGaAsの量子効率を大きくすることができる。以上のことから、本実施例に係る第2i型半導体層8の層厚は、5nm以上50nm以下であることが必要である。
次に、図4を参照しつつ、パッシベーション半導体層4の層厚について説明する。図4は、パッシベーション半導体層4の層厚と半導体受光素子100の暗電流との関係を示す図である。図4の横軸はパッシベーション半導体層4の層厚を示し、図4の縦軸は半導体受光素子100の暗電流を示す。なお、ここでいうパッシベーション半導体層4の層厚とは、上記第1メサの側壁を積層面とした場合の層厚である。
図4に示すように、パッシベーション半導体層4の層厚が小さいと暗電流値も大きくなっている。パッシベーション半導体層4の層厚の増加とともに、暗電流値は小さくなる。パッシベーション半導体層4の層厚が100nmを超えた場合には、暗電流値が1nA以下にまで低減する。したがって、半導体受光素子100の高信頼性を維持することができる。以上のことから、パッシベーション半導体層4の層厚は、100nm以上であることが必要である。
実施例1に係る半導体受光素子100と請求項1および請求項2との対応関係においては、n型半導体層2が第1半導体層に相当し、第1i型半導体層3が第2半導体層に相当し、p型半導体層10が第3半導体層に相当し、第2i型半導体層8が第4半導体層に相当し、パッシベーション半導体層4が第5半導体層に相当する。
(製造方法1−1)
続いて、半導体受光素子100の製造方法について説明する。図5は、半導体受光素子100の第1の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図5(a)に示すように、半導体基板1上に、n型半導体層2、第1i型半導体層3、p型半導体層10および第2i型半導体層8をエピタキシャル成長させる。次に、図5(b)に示すように、第2i型半導体層8の周縁部に対して選択エッチング処理を施す。それにより、円柱台状の第2i型半導体層8が形成される。
次いで、図5(c)に示すように、第1i型半導体層3およびp型半導体層10の周縁部に対して選択エッチング処理を施す。それにより、第1メサが形成される。なお、第1メサの底面は、第2i型半導体層8の底面よりも大きくなっている。それにより、第2i型半導体層8は、第1メサ上面の内側に形成されている。次に、図5(d)に示すように、第2i型半導体層8およびp型半導体層10の上面全体およびn型半導体層2上の一部領域に選択成長マスクを配置する。その後、n型半導体層2および第1メサの側壁にパッシベーション半導体層4をエピタキシャル成長させる。その後、選択成長マスクを除去する。
次いで、図5(e)に示すように、第2i型半導体層8の露出面およびパッシベーション半導体層4の露出面にパッシベーション絶縁膜5を形成する。次に、図5(f)に示すように、n型半導体層2の露出部にn型電極7を形成するとともに、p型半導体層10の露出部にp型電極6を形成する。以上の工程により、半導体受光素子100が完成する。
このように、半導体層8を最初のエピタキシャル成長工程において形成し、半導体層8上を選択成長マスクによって保護してから第1メサ側面部へのみ選択的に半導体層をエピタキシャル成長させているので、半導体層8上に他の半導体層を再成長させる必要がない。この場合、半導体層8上に再成長界面が発生しない。それにより、半導体層8を良好な表面を持つ受光窓として用いることができる。また、上記製造方法においては、半導体層8にリング状のコンタクトホールを形成する必要がない。それにより、第1メサ端からコンタクト電極までの距離を長くすることができる。その結果、素子容量を決める第1メサの径を小さくすることができる。なお、製造方法1−1で製造された半導体受光素子は、半導体受光素子100とメサ上部の構造が異なるが、本発明を構成するのになんら不都合はない。
製造方法1−1と請求項15との対応関係においては、n型半導体層2が第1半導体層に相当し、第1i型半導体層3が第2半導体層に相当し、p型半導体層10が第3半導体層に相当し、第2i型半導体層8が第4半導体層に相当し、パッシベーション半導体層4が第5半導体層に相当する。
(製造方法1−2)
図6は、半導体受光素子100の第2の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図6(a)に示すように、半導体基板1上に、n型半導体層2、第1i型半導体層3およびp型半導体層10をエピタキシャル成長させる。次に、図6(b)に示すように、p型半導体層10および第1i型半導体層3の周縁部に対して選択エッチング処理を施す。それにより、第1メサが形成される。
次いで、図6(c)に示すように、n型半導体層2および第1メサを覆うようにパッシベーション半導体層4をエピタキシャル成長させる。次に、図6(d)に示すように、p型半導体層10上のパッシベーション半導体層4に対してエッチバック処理を施す。それにより、所望の層厚の第2i型半導体層8が形成される。次いで、図6(e)に示すように、パッシベーション半導体層4および第2i型半導体層8の全体を覆うようにパッシベーション絶縁膜5を形成し、n型半導体層2上の一部の領域およびp型半導体層10上の一部の領域にコンタクトホールを形成する。
次に、図6(f)に示すように、n型半導体層2の露出部にn型電極7を形成し、p型半導体層10の露出部にp型電極6を形成する。以上の工程により、半導体受光素子100が完成する。このように、パッシベーション半導体層4および第2i型半導体層8を一度の工程において形成することができる。したがって、製造工程が簡略化される。また、半導体層8上に他の半導体層を再成長させる必要がない。この場合、半導体層8上に再成長界面が発生しない。それにより、半導体層8を良好な表面を持つ受光窓として用いることができる。
製造方法1−2と請求項16との対応関係においては、n型半導体層2が第1半導体層に相当し、第1i型半導体層3が第2半導体層に相当し、p型半導体層10が第3半導体層に相当し、第2i型半導体層8が第4半導体層に相当する。
(製造方法1−3)
図7は、半導体受光素子100の第3の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図7(a)に示すように、半導体基板1上に、n型半導体層2、第1i型半導体層3およびp型半導体層10をエピタキシャル成長させる。次に、図7(b)に示すように、p型半導体層10および第1i型半導体層3の周縁部に対して選択エッチング処理を施す。それにより、第1メサが形成される。
次いで、図7(c)に示すように、p型半導体層10上の全体およびn型半導体層2上の一部の領域に選択成長マスクを配置し、第1メサの側壁にパッシベーション半導体層4をエピタキシャル成長させる。その後、選択成長マスクを除去する。次に、図7(d)に示すように、パッシベーション半導体層4およびn型半導体層2を覆うように選択成長マスクを配置し、p型半導体層10上に第2i型半導体層8をエピタキシャル成長させる。その後、この選択成長マスクを除去する。
次いで、図7(e)に示すように、n型半導体層2、パッシベーション半導体層4、p型半導体層10および第2i型半導体層8の全体を覆うようにパッシベーション絶縁膜5を形成し、n型半導体層2の一部およびp型半導体層10の一部の領域が露出するようにコンタクトホールを形成する。次に、図7(f)に示すように、n型半導体層2上の露出部にn型電極7を形成し、p型半導体層10上の露出部にp型電極6を形成する。以上の工程により、半導体受光素子100が完成する。
このように、第1メサ側面部への半導体エピタキシャル成長後に半導体層8を形成するため、後続プロセスにおいて半導体層8への熱的影響が少なくなる。すなわち、製造過程において最大温度となる半導体エピタキシャル成長プロセスが半導体層8に対して行われない。また、半導体層8上に他の半導体層を再成長させる必要がない。この場合、半導体層8上に再成長界面が発生しない。それにより、半導体層8を良好な表面を持つ受光窓として用いることができる。なお、製造方法1−3で製造された半導体受光素子は、半導体受光素子100とメサ上部の構造が異なるが、本発明を構成するのになんら不都合はない。
製造方法1−3と請求項17との対応関係においては、n型半導体層2が第1半導体層に相当し、第1i型半導体層3が第2半導体層に相当し、p型半導体層10が第3半導体層に相当し、パッシベーション半導体層4が第4半導体層に相当し、第2i型半導体層8が第5半導体層に相当する。
続いて、本発明の第2実施例に係る半導体受光素子100aについて説明する。図8は、半導体受光素子100aの模式的断面図である。図8に示すように、半導体受光素子100aが図1の半導体受光素子100と異なる点は、第2i型半導体層8の代わりに第2p型半導体層8aが設けられている点である。第2p型半導体層8aは、p型半導体層10上の全体にわたって形成されている。したがって、p型電極6は、第2p型半導体層8aとオーミック接触している。第2p型半導体層8aは、p型InPからなる。第2p型半導体層8aのPキャリア濃度は、2×1018cm−3程度である。
第2p型半導体層8aの層厚は、5nm以上50nm以下である。それにより、短波長光(920nm以下の波長光)に対する半導体受光素子100aの量子効率を80%以上にすることができる。また、パッシベーション半導体層4の層厚は、100nm以上である。それにより、半導体受光素子100aの暗電流値を1nA以下にすることができる。その結果、半導体受光素子100aの高信頼性を維持することができる。
(製造方法2−1)
続いて、半導体受光素子100aの製造方法について説明する。図9は、半導体受光素子100aの製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図9(a)に示すように、半導体基板1上に、n型半導体層2、第1i型半導体層3、p型半導体層10、第2p型半導体層8aおよびInGaAsカバー層9をエピタキシャル成長させる。次に、図9(b)に示すように、第2p型半導体層8aおよびInGaAsカバー層9の周縁部に対して選択エッチング処理を施す。
次いで、図9(c)に示すように、第1i型半導体層3およびp型半導体層10の周縁部に対して選択エッチング処理を施す。それにより、第1メサが形成される。なお、第1メサの径は、第2i型半導体層8およびInGaAsカバー層9の径よりも大きくなっている。それにより、第2p型半導体層8aおよびInGaAsカバー層9は、第1メサ上面の内側に形成されている。
次に、図9(d)に示すように、n型半導体層2、第1メサ、第2p型半導体層8aおよびInGaAsカバー層9を覆うようにパッシベーション半導体層4をエピタキシャル成長させる。次いで、図9(e)に示すように、n型半導体層2上の一部およびInGaAsカバー層9上のパッシベーション半導体層4を除去する。
次に、図9(f)に示すように、InGaAsカバー層9の一部にコンタクトホールを形成する。次いで、図9(g)に示すように、パッシベーション半導体層4を覆うようにパッシベーション絶縁膜5を形成する。次に、図9(h)に示すように、第2p型半導体層8aの露出部にp型電極6を形成するとともに、n型半導体層2の露出部にn型電極7を形成する。以上の工程により、半導体受光素子100aが完成する。
このように、図9の製造方法によれば、選択エピタキシャル成長工程を行う必要がなくなる。また、エッチバックによる膜厚制御を行う必要がない。さらに、比較的簡易なユニットプロセスによって素子形成プロセス全体を構成することができる。なお、第2i型半導体層8の代わりにp型のInPからなる半導体層を設けても本実施例の効果が得られる。
本実施例と請求項1および請求項2との対応関係においては、n型半導体層2が第1半導体層に相当し、第1i型半導体層3が第2半導体層に相当し、p型半導体層10が第3半導体層に相当し、第2p型半導体層8aが第4半導体層に相当し、パッシベーション半導体層4が第5半導体層に相当する。
続いて、本発明の第3実施例に係る半導体受光素子100bについて説明する。図10は、半導体受光素子100bの模式的断面図である。図10に示すように、半導体受光素子100bが図1の半導体受光素子100と異なる点は、第2i型半導体層8の代わりに第2p型半導体層8aが設けられている点およびp型半導体層10が省略されている点である。この場合、第1i型半導体層3と第2p型半導体層8aとのヘテロ界面において、エネルギーポテンシャル差に起因するキャリア(ホール)走行遅延が発生する可能性がある。したがって、InGaAsP中間層を第1i型半導体層3と第2p型半導体層8aとのヘテロ界面に設けてもよい。この場合、InGaAs中間層は、InPからなる第2p型半導体層8aと接しPL波長1.1μmの上層とInGaAsからなる第1i型半導体層3と接しPL波長1.3μmの下層とからなる2層構造を有していてもよい。
第2p型半導体層8aの層厚は、5nm以上50nm以下である。それにより、短波長光(920nm以下の波長光)に対する半導体受光素子100bの量子効率を80%以上にすることができる。また、パッシベーション半導体層4の層厚は、100nm以上である。それにより、半導体受光素子100bの暗電流値を1nA以下にすることができる。その結果、半導体受光素子100bの高信頼性を維持することができる。
実施例3に係る半導体受光素子100bと請求項5および請求項6との対応関係においては、n型半導体層2が第1半導体層に相当し、第1i型半導体層3が第2半導体層に相当し、第2p型半導体層8aが第3半導体層に相当し、パッシベーション半導体層4が第4半導体層に相当する。
続いて、本発明の第4実施例に係る光電変換回路200について説明する。図11は、光電変換回路200の平面図である。図11に示すように、光電変換回路200は、受光素子として機能する半導体受光素子201、電子素子として機能するHBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)202、抵抗器203およびキャパシタ204が半導体基板205上にモノシリックに集積化された構造を有する。なお、半導体受光素子201は、上記半導体受光素子100,100a,100bのいずれかである。
図12は、半導体受光素子201およびHBT202の模式的断面図である。図12に示すように、HBT202は、半導体基板1上にn型半導体層2、第1i型半導体層3、p型半導体層10が順に積層された構造を有する。第1i型半導体層3およびp型半導体層10は、メサ型に形成され、円錐台状の第3メサ部を一体として構成している。n型半導体層2は、メサ型に形成され、第3メサ部の底面下に配置された円錐台状の第4メサ部を単独で構成している。第4メサ部は、第3メサ部の径よりも大きい径を有する。
また、第3メサ部上には、第2i型半導体層8および第2n型半導体層31がメサ型に形成され、円錐台状の第5メサ部を一体として構成している。第5メサ部は、第3メサ部よりも小さい径を有する。第3〜第5メサ部の側壁には、パッシベーション絶縁膜5が形成されている。n型半導体層2上には、コレクタ電極32が形成されている。p型半導体層10上には、ベース電極33が形成されている。第2n型半導体層31上には、エミッタ電極34が形成されている。
(製造方法4−1)
続いて、光電変換回路200の製造方法について説明する。図13は、光電変換回路200の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図13(a)に示すように、半導体基板1上に、n型半導体層2、第1i型半導体層3、p型半導体層10、第2i型半導体層8および第2n型半導体層31をエピタキシャル成長させる。
次に、図13(b)に示すように、選択エッチング処理を施すことによって、第1メサ部、第2メサ部および第2i型半導体層8からなる領域Aと、第3〜第5メサ部からなる領域Bとを形成する。次いで、図13(c)に示すように、領域Aの第1i型半導体層3およびp型半導体層10の側壁にパッシベーション半導体層4をエピタキシャル成長させる。次に、図13(d)に示すように、パッシベーション半導体層4、領域Aの第2i型半導体層8、領域Bのn型半導体層2と第1i型半導体層3およびp型半導体層10の側壁と第2i型半導体層8および第2n型半導体層31の側壁にパッシベーション絶縁膜5を形成する。
次いで、図13(e)に示すように、領域Aのn型半導体層2の露出部にn型電極7を形成し、領域Aのp型半導体層10の露出部にp型電極6を形成し、領域Bのn型半導体層2の露出部にコレクタ電極32を形成し、領域Bのp型半導体層10の露出部にベース電極33を形成し、第2n型半導体層31の露出部にエミッタ電極34を形成する。以上の工程により、光電変換回路200が完成する。
このように、図13の製造方法によれば、受光素子のエピタキシャル成長層と電子素子のエピタキシャル成長層との共用化が可能である。また、受光素子および電子素子を形成する際のプロセスの共通化および集積化プロセスの簡易化が可能となる。
なお、上記各実施例に係る半導体受光受光素子は半導体基板上に、n型、i型およびp型半導体層が順に積層されているが、p型、i型およびn型半導体層が順に積層されていてもよい。また、上記各実施例に係る半導体受光素子はInP/InGaAs系であるが、それに限られない。例えば、半導体受光素子としてGaAs/AlGaAs系を用いることもできる。
本実施例と請求項19との対応関係においては、n型半導体層2が第1半導体層に相当し、第1i型半導体層3が第2半導体層に相当し、p型半導体層10が第3半導体層に相当し、第2i型半導体層8が第4半導体層に相当し、第2n型半導体層31が第5半導体層に相当し、パッシベーション半導体層4が第6半導体層に相当する。
本発明の第1実施例に係る半導体受光素子の模式的断面図である。 850nmの波長光を入射光として用いた場合における、第2i型半導体層の層厚と入射面に第2i型半導体層が設けられたInGaAsの量子効率との関係を示す図である。 第2i型半導体層の層厚が5nm以上50nm以下の場合における、バンドギャップエネルギおよび発生キャリア密度の概念図である。 パッシベーション半導体層の層厚と半導体受光素子の暗電流との関係を示す図である。 第1実施例に係る半導体受光素子の第1の製造方法について説明するためのフロー図である。 第1実施例に係る半導体受光素子の第2の製造方法について説明するためのフロー図である。 第1実施例に係る半導体受光素子の第3の製造方法について説明するためのフロー図である。 本発明の第2実施例に係る半導体受光素子の模式的断面図である。 第2実施例に係る半導体受光素子の製造方法について説明するためのフロー図である。 本発明の第3実施例に係る半導体受光素子の模式的断面図である。 本発明の第4実施例に係る光電変換回路の平面図である。 半導体受光素子およびHBTの模式的断面図である。 光電変換回路の製造方法について説明するためのフロー図である。
符号の説明
1 半導体基板
2 n型半導体層
3 第1i型半導体層
4 パッシベーション半導体層
6 p型電極
7 n型電極
8 第2i型半導体層
8a 第2p型半導体層
10 p型半導体層
100,201 半導体受光素子
200 光電変換回路
202 HBT

Claims (22)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、前記半導体基板と格子整合し、第1導電性の不純物を含有し、第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、
    前記第1半導体層上に設けられ、前記第1のバンドギャップエネルギを有し、前記第1半導体層よりも低濃度の前記第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、
    前記第2半導体層上に設けられ、前記第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し、前記第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層と、
    前記第3半導体層上に設けられ、前記第1のバンドギャップよりも大きい第2のバンドギャップを有し、層厚が5nm以上50nm以下であり、光入射側となる第4半導体層とを備えることを特徴とする半導体受光素子。
  2. 前記第1〜第3半導体層の側壁に設けられ、前記第2のバンドギャップエネルギを有し、層厚が100nm以上である第5半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の半導体受光素子。
  3. 前記第3半導体層上または前記第4半導体層上に設けられた電極をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の半導体受光素子。
  4. 前記第5半導体層と前記第4半導体層との層厚差は、50nm以上であることを特徴とする請求項2記載の半導体受光素子。
  5. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、前記半導体基板と格子整合し、第1導電性の不純物を含有し、第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、
    前記第1半導体層上に設けられ、前記第1のバンドギャップエネルギを有し、前記第1半導体層よりも低濃度の前記第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、
    前記第2半導体層上に設けられ、前記第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し、前記第1のバンドギャップエネルギよりも大きい第2のバンドギャップエネルギを有し、層厚が5nm以上50nm以下であり、光入射側となる第3半導体層とを備えることを特徴とする半導体受光素子。
  6. 前記第3半導体層上に設けられた電極をさらに備えることを特徴とする請求項5記載の半導体受光素子。
  7. 前記第1〜第3半導体層の側壁に設けられ、前記第2のバンドギャップエネルギを有し、層厚が100nm以上である第4半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項5記載の半導体受光素子。
  8. 前記第4半導体層と前記第3半導体層との層厚差は、50nm以上であることを特徴とする請求項7記載の半導体受光素子。
  9. 前記第2のバンドギャップエネルギを有する半導体層は、InPからなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の半導体受光素子。
  10. 前記第1のバンドギャップエネルギを有する半導体層は、InGaAsからなることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の半導体受光素子。
  11. 前記第1半導体層の上面側または前記半導体基板の下面側のいずれか一方に電極をさらに備えることを特徴とする請求項3または6記載の半導体受光素子。
  12. 前記請求項1〜11のいずれかに記載の半導体受光素子と、
    前記半導体基板上において前記半導体受光素子とモノシリックに集積化され、前記半導体受光素子と電気的に接続された電子素子とを備えることを特徴とする光電変換回路。
  13. 前記電子素子は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項12記載の光電変換回路。
  14. 前記半導体基板上に前記半導体受光素子とモノシリックに集積化され、前記半導体受光素子と電気的に接続されたキャパシタおよび抵抗器をさらに備えることを特徴とする請求項12または13記載の光電変換回路。
  15. 半導体基板上に、前記半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、前記第1のバンドギャップエネルギを有し前記第1半導体層よりも低濃度の前記第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、前記第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し前記第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層と、前記第1のバンドギャップエネルギよりも大きい第2のバンドギャップエネルギを有する第4半導体層とを順に積層する工程と、
    前記第1〜第3半導体層の側壁を露出させるエッチング処理を施す工程と、
    前記第4半導体層上面および前記第3半導体層上面の露出部にマスキングする工程と、
    前記第1、第2および第3半導体層の側壁に、前記第2のバンドギャップエネルギを有する第5半導体層を形成する工程とを含み、
    前記第4半導体層の層厚が5nm以上50nm以下であることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
  16. 前記第5半導体層の層厚は、100nm以上であることを特徴とする請求項15記載の半導体受光素子の製造方法。
  17. 半導体基板上に、前記半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、前記第1のバンドギャップエネルギを有し前記第1半導体層よりも低濃度の前記第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、前記第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し前記第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層とを順に積層する工程と、
    前記第1〜第3半導体層の側壁を露出させるエッチング処理を施す工程と、
    前記第1〜第3の側壁と前記第3半導体層の上面とを覆うように前記第2のバンドギャップエネルギを有する第4半導体層を形成する工程と、
    前記第3半導体層上の前記第4半導体層に対して選択エッチング処理を施す工程とを含み、
    前記第3半導体層上の前記第4半導体層の層厚は、5nm以上50nm以下であることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
  18. 前記第1〜第3の側壁を覆う前記第4半導体層の層厚は、100nm以上であることを特徴とする請求項17記載の半導体受光素子の製造方法。
  19. 半導体基板上に、前記半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、前記第1のバンドギャップエネルギを有し前記第1半導体層よりも低濃度の前記第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、前記第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し前記第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層とを順に積層する工程と、
    前記第1〜第3半導体層の側壁を露出させるエッチング処理を施す工程と、
    前記第3半導体層上面および前記第1半導体層上面の露出部の一部にマスキングする工程と、
    前記第1〜第3半導体層の側壁に、前記第1のバンドギャップよりも大きい第2のバンドギャップエネルギを有する第4半導体層を形成する工程と、
    前記第3半導体層上に前記第2のバンドギャップエネルギを有する第5半導体層を形成する工程とを含み、
    前記第5半導体層の層厚は5nm以上50nm以下であることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
  20. 前記第4半導体層の層厚は、100nm以上であることを特徴とする請求項19記載の半導体受光素子の製造方法。
  21. 半導体基板上に、前記半導体基板と格子整合し第1導電性の不純物を含有し第1のバンドギャップエネルギを有する第1半導体層と、前記第1のバンドギャップエネルギを有し前記第1半導体層よりも低濃度の前記第1導電性の不純物を含有しまたは実質的にアンドープの第2半導体層と、前記第1導電性と異なる第2導電性の不純物を含有し前記第1のバンドギャップエネルギを有する第3半導体層と、前記第1のバンドギャップエネルギよりも大きい第2のバンドギャップエネルギを有する第4半導体層と、前記第1導電性の不純物を含有し前記第1のバンドギャップエネルギを有する第5半導体層を順に積層する工程と、
    前記第1〜第4半導体層からなる第1メサを受光領域とし、前記第1〜第4および第5半導体層からなる第2メサをトランジスタ領域として形成する工程と、
    前記第1メサにおける前記第1〜第3半導体層の側壁に前記第2のバンドギャップエネルギを有する第6半導体層を形成する工程とを含み、
    前記第4半導体層の層厚は5nm以上50nm以下であることを特徴とする光電変換回路の製造方法。
  22. 前記第6半導体層の層厚は、100nm以上であることを特徴とする請求項21記載の半導体受光素子の製造方法。
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