JP2008311278A

JP2008311278A - 光半導体装置

Info

Publication number: JP2008311278A
Application number: JP2007155050A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Takahashi; 強高橋; Toru Sano; 徹佐野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】光半導体装置において、光の侵入による増幅素子の誤動作を効果的に防止するとともにパターン面積を小さくすることを目的とする。
【解決手段】半導体基板２上には、半導体基板２の外周に沿って環状に形成された受光素子領域３と、当該受光素子領域３で囲まれた増幅素子領域４とが形成されている。受光素子領域３は、入射された光を電気信号に変換するためのホトダイオードが形成された領域であり、増幅素子領域４は、ホトダイオードで変換された電気信号を増幅するための素子が形成された領域である。ホトダイオードと増幅素子は、不図示の配線で相互に接続されている。増幅素子領域４には、増幅素子への光の入射を防止するための遮光層５が増幅素子を被覆して形成されている。光半導体装置１の側面から入射する光は、ホトダイオードのアノード領域及びカソード領域で吸収される。
【選択図】図１

Description

本発明は光半導装置に関し、特に不要な光電流の影響を低減する光半導体装置に関するものである。

従来から、光の吸収により光信号を電気信号に変換するための素子としてホトダイオードが知られている。そして、ホトダイオードと、当該ホトダイオードで変換された電気信号を増幅するためのバイポーラトランジスタ等が一体化されて成る光半導装置がある。従来の光半導体装置について図面を参照しながら説明する。図３は、従来の光半導体装置１００の概略を示す平面図である。

従来の光半導体装置１００では、図３に示すようにホトダイオードが形成された領域（受光素子領域１０１）と、ホトダイオードからの電気信号を増幅させるための増幅素子（例えばバイポーラトランジスタ）が形成された領域（増幅素子領域１０２）とを備えている。増幅素子領域１０２には遮光層１０３が形成されており、基板面に対して垂直方向からの光の入射が増幅素子の動作に影響を与えないようにしている。つまり、増幅素子のＰＮ接合領域での光電流の発生を抑えている。遮光層１０３としては、例えば半導体基板上に形成された多層配線の最上層の配線層が用いられる。

しかしながら、光半導体装置１００の上面端部及び側面には製造プロセス上遮光層１０３で覆われない部分があるため、当該部分から光が増幅素子に侵入し、不要な光電変換動作を起こしてしまう。

そこで従来は、増幅素子領域１０２の最外周と光半導体装置１００の端部とを、増幅素子が光電変換動作を起こさない程度に離間させる方法や、増幅素子領域１０２と光半導体装置１００の端部との間に、実際の回路動作に影響を与えないダミーホトダイオード領域１０４を設け、ここで光を吸収して増幅素子に誤動作を与えないようにする方法があった。

本発明に関連した技術は、例えば以下の特許文献に記載されている。
特開平１０−１０７２４２号公報

しかしながら、上述したいずれの方法においても、一つの光半導体装置当りのパターン面積が大きくなるという問題があった。

そこで本発明は、光の侵入による増幅素子の誤動作を効果的に防止するとともに、光半導体装置のパターン面積を小さくすることを目的とする。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の光半導体装置は、入射された光を電気信号に変換するための受光素子が環状に形成された第１の領域と、前記電気信号を増幅させるための増幅素子が形成された第２の領域とを備え、前記第２の領域は、前記第１の領域でその周囲が囲まれていることを特徴とする。

本発明では、増幅素子が形成された領域を受光素子が形成された領域で囲むように装置のレイアウトがなされている。そのため、光半導体装置の上面端部及び側面側から入射した光を受光素子で吸収して増幅素子に誤動作を与えないようにすることができる。また、ダミーホトダイオードのように本来的な回路動作に影響を与えないスペースを設ける必要がないため、光半導体装置のパターン面積を小さくすることができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る光半導体装置１の概略を示す平面図であり、図２はそのＸ−Ｘ線に沿った断面図の概略である。

シリコン等から成る半導体基板２上には、半導体基板２の外周に沿って環状に形成された受光素子領域３と、受光素子領域３でその全周囲が囲まれている増幅素子領域４とが形成されている。

受光素子領域３は、入射された光信号を電気信号に変換するためのホトダイオードが形成された領域であり、増幅素子領域４は、受光素子領域３で変換された電気信号を増幅するための素子（増幅素子）が形成された領域である。ホトダイオードと増幅素子は、不図示の配線を介して相互に接続されており、ホトダイオードで変換された電気信号が増幅素子に入力されるようになっている。

増幅素子領域４では、増幅素子への光の入射を防止するための遮光層５が増幅素子を被覆して形成されており、一方ホトダイオードの受光領域上では遮光層５が形成されないようになっている。遮光層５は、例えばアルミニウム等の金属材料から成り、半導体基板２上に形成される多層配線層の一部（例えば最上の配線層）を利用して形成することができる。また、遮光層５は光を吸収する性状を有する樹脂から成るものでもよい。

次に、図２を用いて、図１に示す光半導体装置１のＸ−Ｘ線に沿った断面構造について説明する。なお、増幅素子領域４については、抵抗（拡散抵抗やポリシリコン抵抗）、容量、バイポーラトランジスタやＭＯＳトランジスタ等の各種のトランジスタ、ボンディングパッド等が多数集積されているが、便宜上ＮＰＮトランジスタ１０の形成領域についてのみ説明する。

Ｐ型の半導体基板２上には、ノンドープのエピタキシャル層１１、及びエピタキシャル層１１を複数の島状の領域に分離するためのＰ^＋分離層１２が形成されている。エピタキシャル層１１は、公知のエピタキシャル結晶成長法にて形成することができる。また、Ｐ^＋分離層１２は、Ｐ型不純物から成る上分離層１２ａ及び下分離層１２ｂがエピタキシャル層１１内で重畳して一体化した構成になっており、半導体基板２の外周に沿って環状に形成されている。上分離層１２ａは、エピタキシャル層１１の上面からボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を下方拡散することにより形成される。一方、下分離層１２ｂは、半導体基板２の底部側からボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を上方拡散することにより形成される。Ｐ^＋分離層１２によって隣り合う受光素子領域３及び増幅素子領域４は電気的に分離される。

受光素子領域３におけるエピタキシャル層１１の表面には、ホトダイオード３０の受光部と成るＮ^＋半導体層１３が形成されている。Ｎ^＋半導体層１３は、エピタキシャル層１１の所定領域上に開口部を有するレジスト層（不図示）を形成し、当該レジスト層をマスクとしてヒ素（Ａｓ）等のＮ型不純物をイオン注入することで形成される。

エピタキシャル層１１上には絶縁膜１４（例えば、熱酸化法によるシリコン酸化膜とＣＶＤ法によるシリコン窒化膜との積層膜）が形成されており、当該絶縁膜１４に部分的に形成されたコンタクトホールを介してアルミニウム等から成るカソード電極１５がＮ^＋半導体層１３と接続して形成されている。また、Ｐ^＋分離層１２の所定領域上にもアノード電極１６が形成され、半導体基板２及びＰ^＋分離層１２がアノード領域として用いられる。

一方、増幅素子領域４における半導体基板２の底部とエピタキシャル層１１と界面付近には、Ｎ^＋型の埋め込み層１７が形成されている。埋め込み層１７は、半導体基板１にＮ型不純物（例えばアンチモン（Ｓｂ））を高濃度に注入し、エピタキシャル成長することで形成される。埋め込み層１７上方のエピタキシャル層１１の表面には、Ｐ型のベース層１８、及びＮ^＋型のコレクタ層１９が形成され、ベース層１８の表面にはＮ^＋型のエミッタ層２０が形成されている。そして、絶縁膜１４にはベース層１８，コレクタ層１９，エミッタ層２０に至るコンタクトホールがそれぞれ形成され、各コンタクトホール内にはアルミニウム等から成るベース電極２１，コレクタ電極２２，エミッタ電極２３が形成されている。

そして、絶縁膜１４上には上記各電極を被覆するようにして絶縁膜２４（例えば、ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜）が形成されている。また、増幅素子領域４における絶縁膜２４上には遮光層５が形成され、半導体基板２の垂直方向からの光の入射が増幅素子の動作に影響を与えないようにしている。

また、絶縁膜２４及び遮光層５を被覆するようにして保護層２５が形成されている。保護層２５は、例えばシリコン窒化膜等から成り、光半導体装置１の表面全体を保護するとともに、ホトダイオード３０が受光すべき波長の光を透過する層である。

以上のように、受光素子領域３にはホトダイオード３０が形成され、増幅素子領域４にはＮＰＮトランジスタ１０等の増幅素子が形成されている。

ホトダイオード３０は、カソード電極１５とアノード電極１６に所定の電位（例えば、カソード電極１５に電源電位、アノード電極１６に接地電位）を印加して、逆バイアス状態で動作させる。この逆バイアスによって空乏層が形成され、光の入射を受けた際、光の量に応じて電流が発生する。

本実施形態に係る光半導体装置１では、ＮＰＮトランジスタ１０等の増幅素子が形成された領域（増幅素子領域４）をホトダイオード３０が形成された領域（受光素子領域３）で囲むようにしてレイアウトがなされている。そのため、光半導体装置１の上面端部及び側面側から入射した光（光半導体装置１の上面端部から斜め方向に入射した光も含む）をホトダイオード３０で吸収し、その結果として増幅素子に誤動作を与えないようにすることができる。つまり、光半導体装置１の上面端部及び側面側から入射した光の大部分は、ホトダイオード３０のアノード領域（受光素子領域３におけるＰ^＋分離層１２及び半導体基板２）及びカソード領域（受光素子領域３におけるＮ^＋半導体層１３及びエピタキシャル層１１）で吸収される。そして、生成されたキャリアの殆どは当該ホトダイオード３０の電流となるため、受光素子領域３の内側に形成された増幅素子領域４には光の影響が及ばず、増幅素子領域４に形成されたＮＰＮトランジスタ１０等の増幅素子の誤動作を防止することができる。なお、光半導体装置１の主面に対して垂直方向から増幅素子側への光の侵入は遮光層５で防ぐことができる。

また、ホトダイオード３０は光半導体装置１の外周に沿って環状に形成されているため、光半導体装置１の上面端部及び側面から入射される光の全てを実際の回路動作（例えば、照度検知動作）に用いることができる。また、従来のダミーホトダイオード領域１０４（図３参照）のように、本来的な回路動作に影響を与えないスペースを設ける必要がないため、光半導体装置のパターン面積を小さくすることができる。また、光半導体装置のほぼ中央に増幅素子領域を配置することで、レイアウト設計が容易となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。例えば、上記実施形態ではＰ型の半導体基板１が用いられていたが、Ｎ型の半導体基板上に上記実施形態と同様のホトダイオードや容量，トランジスタ等の周辺回路を形成することも可能である。

本発明の実施形態に係る光半導体装置のレイアウトを示す平面図である。本発明の実施形態に係る光半導体装置を示す断面図である。従来の光半導体装置のレイアウトを示す平面図である。

符号の説明

１光半導体装置２半導体基板３受光素子領域４増幅素子領域
５遮光層１０ＮＰＮトランジスタ１１エピタキシャル層
１２Ｐ^＋分離層１２ａ上分離層１２ｂ下分離層１３Ｎ^＋半導体層
１４絶縁膜１５カソード電極１６アノード電極１７埋め込み層
１８ベース層１９コレクタ層２０エミッタ層２１ベース電極
２２コレクタ電極２３エミッタ電極２４絶縁膜２５保護層
３０ホトダイオード１００光半導体装置１０１受光素子領域
１０２増幅素子領域１０３遮光層１０４ダミーホトダイオード領域

Claims

入射された光を電気信号に変換するための受光素子が環状に形成された第１の領域と、
前記電気信号を増幅させるための増幅素子が形成された第２の領域とを備え、
前記第２の領域は、前記第１の領域でその周囲が囲まれていることを特徴とする光半導体装置。
前記第２の領域では、前記増幅素子への光の入射を防止するための遮光層が前記増幅素子を被覆して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。