JP2009033043A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速且つ増幅作用の大きいフォトトランジスタを提供する。
【解決手段】光半導体装置２０は、入射光を受光するフォトトランジスタを有し、フォトトランジスタは、半導体基板に形成された第１導電型のコレクタ層Ｃ（２、３及び５）と、コレクタＣ層上に形成された第２導電型のベース層６と、ベース層６上に形成された第１導電型のエミッタ層７とを備え、エミッタ層７の厚さは、入射光のエミッタ層７における吸収長以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトトランジスタを有する光半導体装置に関する。

光半導体装置の一つとして、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素子等の能動素子並びに抵抗素子及び容量素子等の受動素子とを同一の基板上に形成した光電子集積回路（Optical Electronic Integrated Circuit ：ＯＥＩＣ）装置がある。このようなＯＥＩＣは、光信号を電気信号に変換する機能として各種の光センサ装置、光ディスク用の光ピックアップ装置等として用いられている。

光ピックアップ装置として用いられるＯＥＩＣは、受光感度の向上と動作の高速化とが要望されている。また、光ピックアップ装置には、赤外光を用いるＣＤ（Compact Disc）用のもの、赤色光を用いるＤＶＤ（Digital Versatile Disc）用のものに加え、近年、青色光を用いるＢＤ（Blu-ray Disc）用のものが使われるようになり、合わせて３タイプがある。ＢＤの高倍速化・多層記録化が進むにつれて、ＯＥＩＣには高倍速化・低ノイズ化が要望されている。

青色光の場合、光ディスクに対する反射率が低いため、ノイズ特性（Ｓ／Ｎ比）に対する要求は厳しくなっている。ノイズ特性を良くするためには、Ｓ（信号）を増加させるか、Ｎ（雑音）を低下させるかのいずれかの方法がある。Ｓを増加させる方法としては、受光素子の受光感度の向上がある。しかし、Ｓｉフォトダイオードを用いる場合、青色光に対する受光感度は、ほぼ理論限界に達している。そのため、ＢＤ用ＯＥＩＣとしては、受光素子内部に増幅作用を持ち高受光感度が得られるＡＰＤ（Avalanche Photo-Diode ）又はフォトトランジスタを搭載することが考えられる。

フォトトランジスタは、フォトダイオードの出力をトランジスタで増幅するように構成した素子であり、ＬＥＤ（Light Emission Diode：発光ダイオード）等の発光素子と組み合わされる光センサの受光素子としてはポピュラーな光学素子である。ＯＥＩＣにおいても、青色光に対する受光感度向上を目的としてフォトトランジスタの増幅作用を利用できる。

一般にフォトトランジスタは、増幅作用があるため受光感度の点ではフォトダイオードよりも優れるが、速度の点ではフォトダイオードよりも劣る。

特許文献１に記載される従来例の場合、受光表面はフォトトランジスタのベースのみで形成されており、エミッタは受光面の端部のみに形成されている。受光面に光が入射すると、受光面で生成されたキャリアはベースを通り、エミッタへ到達する。このとき、フォトトランジスタの動作速度は、エミッタへ到達するまでのキャリアの速度に依存する。エミッタへ到達するまでキャリアは拡散により走行するため、ベースの抵抗成分により速度が劣化する。特許文献１の構造では、キャリアの水平方向の走行距離が長いため高速化できない問題点があった。

このような高速化の問題を解決するため、ベース内の全面にエミッタを形成し、ベース内におけるキャリアの水平方向の走行距離を低減して高速化を図る方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−２３５３９４号公報（第３頁、第１図（ｂ）） 特開平９−１８６３５５号公報（第４頁、第５図） 特開２００３−１５８２５１号公報

しかしながら、特許文献２のフォトトランジスタによると、水平方向のキャリアの走行距離を低減する効果は得られるが、増幅作用が低減する問題がある。

フォトトランジスタの増幅作用が機能するためには、ベース層において光吸収によって生成したキャリアがエミッタ層に移動することが必要である。しかし、ベース層上にエミッタ層を備える構造の場合、ベース層上のエミッタ層において光が吸収され、ベース層に届く光が減少する。この結果として、増幅作用が低減し、感度が低下する。これは、特にＢＤの光源として用いられる青色レーザ光に対応するフォトトランジスタの場合に、青色光は半導体層の比較的浅い領域で多くが吸収されることから大きな問題となる。よって、この解決が課題となっている。

以上の課題に鑑み、本発明は、高速で動作でき且つ増幅作用の大きいフォトトランジスタ及びその製造方法の提供を目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る第１の光半導体装置は、入射光を受光するフォトトランジスタを有し、フォトトランジスタは、半導体基板上に形成された第１導電型のコレクタ層と、コレクタ層上に形成された第２導電型のベース層と、ベース層上に形成された第１導電型のエミッタ層とを備え、エミッタ層の厚さは、入射光の半導体基板における吸収長以下である。

本発明の第１の光半導体装置によると、以下の通り、フォトトランジスタの感度向上及び高速化を実現することができる。

まず、フォトトランジスタのベース層上（受光領域内）にエミッタ層を形成することにより、ベース層内においてキャリアが走行してエミッタ層に到達するまでの走行距離を短縮している。つまり、エミッタ層が受光領域の周縁部等にだけ設けられている場合、キャリアがエミッタ層に到達するためには、キャリアはベース層内を長距離にわたって水平方向（半導体基板の主面方向）に走行しなければならない。これに対し、受光領域内にもエミッタ層を形成すると、水平方向の走行距離が短縮される。このことから、フォトトランジスタの高速化が実現する。

更に、エミッタ層が極浅く形成され、受光する入射光の半導体基板における吸収長以下の厚さを有している。このため、エミッタ層における入射光の吸収が抑制され、エミッタ層の下方に位置するベース層に到達する入射光が増加する。よって、フォトトランジスタの増幅作用が顕著になる。また、エミッタ層において生じたキャリアは再結合により消滅し、光電流として寄与しなくなりやすい。しかし、エミッタ層の厚さを小さくすることにより、エミッタ層における光吸収が少なくなってエミッタ層において生じる光キャリアが減少し、結果としてエミッタ層における再結合を低減することができる。これらのことから、フォトトランジスタの受光感度が向上する。

尚、エミッタ層は、ベース層を覆う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、ベース層内において生じたキャリアは水平方向に走行することなしにエミッタ層に到達することも可能となり、水平方向の走行距離は実質的に無くなる。このため、フォトトランジスタの更なる高速化を図ることができる。

また、エミッタ層は、ベース層の上部に埋め込まれるように形成されていると共に、フォトトランジスタの表面において、エミッタ層の一部とベース層の一部とが交互に配置されていることが好ましい。

このようにすると、フォトトランジスタの表面にベース層が露出する部分とエミッタ層が露出する部分との両方が存在し、且つ、これらの部分が交互に配置されているようになる。このため、表面にベース層が露出する部分においてエミッタ層による吸収をうけることなく入射光を受光することができると共に、ベース層において生じたキャリアは比較的短い距離を水平方向に走行するだけでエミッタ層に到達することができる。このため、受光感度の向上と高速化とを共に実現することができる。尚、エミッタ層の全体が連続した形状となっていても良いし、また、エミッタ層が複数の部分に分割されると共に、それらの各部分が互いに電気的に接続されていても良い。

また、エミッタ層は、櫛形状、梯子状又は格子状の平面形状を有することが好ましい。

主面方向にエミッタ層の一部とベース層の一部とが交互に配置されるエミッタ層の具体的な平面形状として、例えばこのような形状とすることができる。

また、入射光は、青色光であることが好ましい。本発明の第１の光半導体装置は、青色光を受光する場合に顕著な効果を発揮する。

次に、前記の目的を達成するために、本発明に係る第２の光半導体装置は、入射光を受光するフォトトランジスタを有し、フォトトランジスタは、半導体基板上に形成された第１導電型のコレクタ層と、コレクタ層上に形成された第２導電型のベース層と、ベース層の内部に埋め込まれて形成された第１導電型のエミッタ層とを備え、エミッタ層上に位置する部分のベース層の厚さは、入射光の半導体基板における吸収長以下である。

本発明の第２の光半導体装置によると、第１の光半導体装置と同様に、以下の通り、フォトトランジスタの感度向上及び高速化を実現することができる。

まず、エミッタ層がベース層の内部に埋め込まれていることによりフォトトランジスタの受光領域にもエミッタ層が配置されており、ベース層内においてキャリアが水平方向に走行してエミッタ層に到達するまでの走行距離を短縮している。これにより、フォトトランジスタの高速化が実現する。

更に、エミッタ層がベース層の内部に埋め込まれると共に、エミッタ層上に位置する部分のベース層の厚さが入射光の半導体基板における吸収長以上となっているため、入射光は主にベース層において吸収される。このため、ベース層において発生してエミッタ層に移動することによりフォトトランジスタの増幅作用に寄与するキャリアが増加し、増幅作用がより高効率になる。

尚、エミッタ層は、半導体基板の主面方向にエミッタ層の一部とベース層の一部とが交互に配置される平面形状を有することが好ましい。

また、エミッタ層は、櫛形状、梯子状又は格子状の平面形状を有することが好ましい。

このようにすると、第１の光半導体装置について説明したのと同様に、受光感度の向上と高速化とを共に実現することができる。

また、エミッタ層上に位置する部分のベース層において、第２導電型不純物の濃度は、表面に近くなるほど低くなっていることが好ましい。

このような濃度傾斜があると、ベース層の表面において発生したキャリアが濃度傾斜に起因する電界により加速される。このため、キャリアの走行速度が大きくなり、ベース層内を走行する時間をより短縮することができる。

また、エミッタ層上に位置する部分のベース層は、半導体基板よりもバンドギャップが大きい半導体材料により形成されていることが好ましい。

このようにすると、赤外光、赤色光等に比べて波長の短い青色光についての感度をより高くすることができる。

また、入射光は、青色光であることが好ましい。本発明の第２の光半導体装置は、青色光を受光する場合に顕著な効果を発揮する。

本発明の光半導体装置によると、ベース層内において発生したキャリアが水平方向に走行する距離を短縮することにより高速化すると共に、エミッタ層における光吸収を抑制してベース層に生成するキャリアを増加し、フォトトランジスタの増幅作用を向上することにより受光感度を向上することができる。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態の光半導体装置とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、順に、本実施形態の光半導体装置２０の要部を示す断面図及び平面図であり、図１（ｂ）のIa-Ia'線における断面が図１（ａ）に示されている。

図１（ａ）に示す通り、基板（シリコン基板）１を用いて形成されている。基板１上にはＮ型エピタキシャル成長層（シリコン層）３が形成され、基板１とＮ型エピタキシャル成長層３との界面を含むようにＮ型埋込層２が形成されている。Ｎ型埋込層２上において、Ｎ型エピタキシャル成長層３を残して更にその上にＰ型拡散層６が形成されている。Ｐ型拡散層６上には、Ｎ型拡散層７が形成されている。

また、Ｎ型埋込層２の周縁部上において、Ｎ型エピタキシャル成長層３の表面からＮ型拡散層７にまで達する分離絶縁層４ａ及び４ｂが設けられ、ＰＮ接合分離を行なっている。より詳しく述べると、Ｎ型拡散層７及びＰ型拡散層６を囲む分離絶縁層４ａと、更にその外側を囲む分離絶縁層４ｂとが設けられ、分離絶縁層４ａと分離絶縁層４ｂとの間の部分には別のＮ型拡散層５が設けられている。

以上により、光半導体装置２０にはフォトトランジスタが構成されている。具体的には、Ｎ型埋込層２、Ｎ型拡散層５及びＮ型エピタキシャル成長層３がコレクタＣ、Ｐ型拡散層６がベースＢ、Ｎ型拡散層７がエミッタＥとなるフォトトランジスタである。尚、分離絶縁層４ａの内側が受光領域として機能する。

Ｎ型エピタキシャル成長層３上には、Ｎ型拡散層５、Ｎ型拡散層７、分離絶縁層４ａ及び４ｂ等を覆うように反射防止膜８が形成されている。反射防止膜８は、入射する光のフォトトランジスタ表面における反射を防止して高効率に取り込むために形成されている。一般には、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜として構成される。

また、Ｎ型拡散層７上において反射防止膜８が開口され、該開口上にエミッタ電極として電極９ａが設けられている。更に、Ｎ型拡散層５上において反射防止膜８が開口され、該開口上に電極９ｂが設けられている。電極９ｂは、Ｎ型拡散層５と介してＮ型埋込層２に電気的に接続されており、コレクタ電極として機能する。

図１（ｂ）には、光半導体装置２０の平面図が示されている。但し、反射防止膜８については図示を省略している。図１（ｂ）に示す通り、Ｎ型エピタキシャル成長層３が分離絶縁層４ａ及び４ｂによって二重に分離され、内側の分離絶縁層４ａの更に内側の部分が、表面にＮ型拡散層７が形成されて受光領域となっている。Ｎ型拡散層７上には電極９ａが形成されると共に、分離絶縁層４ａと分離絶縁層４ｂとの間の部分（図に現れていないＮ型拡散層５が形成されている部分）の上に電極９ｂが形成されている。

次に、以上のような光半導体装置２０の動作を説明する。

光半導体装置２０に対して光が入射すると、ベースであるＰ型拡散層６に達した光が該Ｐ型拡散層６を構成するシリコンに吸収されてキャリアを生じる。該キャリアがエミッタであるＮ型拡散層７に移動すると、これをベース電流としてトランジスタが動作し、増幅されてコレクタ電流が出力される。光の入射により生じるキャリアがベース電流として寄与する点の他は、動作原理は通常のバイポーラトランジスタと概ね同様である。

ここで、本実施形態の光半導体装置２０の場合、Ｎ型拡散層７（エミッタＥ）はＰ型拡散層６（ベースＢ）の全面上を覆うように形成されている。言い換えると、受光領域の全面に亘って形成されていることになる。これにより、Ｐ型拡散層６において生じたキャリアは水平方向（基板１の主面方向）に走行する必要なくＮ型拡散層７に到達することができるため、フォトトランジスタが高速に動作する。

しかし、このような構成であることから、入射光は、Ｐ型拡散層６に入るためにはＮ型拡散層７を通過しなければならない。Ｎ型拡散層７においても光吸収が起り、キャリアが生じる。光半導体装置２０の表面に近いＮ型拡散層７では再結合が多く、生じたキャリアは消滅しやすい。また、再結合しなかったキャリアについても、エミッタ層において生じていることになるから、フォトトランジスタによる増幅作用には寄与しない。結果として、受光素子としての感度が低下する原因となっている。

そこで、光半導体装置２０では、Ｎ型拡散層７を浅く（薄く）形成することによって、Ｎ型拡散層７における光吸収と再結合を抑制している。このようにすると、Ｎ型拡散層７の下に位置するＰ型拡散層６に到達する光が増え、受光素子の感度を向上させることができる。

一般に、物体の表面から光の吸収長（吸収係数の逆数）までの範囲において入射光の約６３％が吸収される。このため、Ｎ型拡散層７（エミッタ）の深さ（厚さ）を入射光の吸収長よりも大きく設定するとキャリアが消滅する割合の方が支配的になる。そこで、Ｎ型拡散層７の深さを入射光の吸収長以下に設定する。具体例として、ＢＤに用いる青色光の場合にはシリコンにおける吸収長が約０．３μｍであるから、シリコン層に形成されているＮ型拡散層７の深さを０．３μｍ以下とする。

感度の具体例を挙げると、従来のＰＩＮフォトダイオードでは０．２８Ａ／Ｗ、従来構造のフォトトランジスタでは２０．７０Ａ／Ｗであったのに対し、本実施形態のフォトトランジスタは２６．６０Ａ／Ｗとなっている。このように、従来のＰＩＮフォトダイオードに比べれば約１００倍の感度であり、従来構造のフォトトランジスタに比べても受光感度は確かに向上している。

また、周波数特性の具体例を挙げると、従来構造のフォトトランジスタでは１０ｋＨｚであったのに対し、本実施形態のフォトトランジスタは２００ｋＨｚとなっている。このように、従来構造のフォトトランジスタに比べて周波数特性は約２０倍に向上している。

尚、従来のＰＩＮフォトダイオードとは、低濃度のアノード層上に中濃度のカソード層を形成した積層構造である（例えば、特許文献３の図７を参照）。また、従来構造のフォトトランジスタとは、例えば特許文献１の図３に示す構造のフォトトランジスタである。

このように、Ｎ型拡散層７をＰ型拡散層６の全面上に設けることにより、前記した通り高速動作を実現しており、且つ、Ｎ型拡散層７をＰ型拡散層６の全面上に設けることに起因する受光素子の感度低下を抑制している。このような効果は、赤色光等に比べるとフォトトランジスタのより浅い領域において吸収が起る青色光を受光する装置において顕著である。

次に、本実施形態の光半導体装置２０の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、光半導体装置２０の製造方法を説明するための断面図である。

まず、図２（ａ）のように、基板１の表面に不純物の導入を行なった後、Ｎ型エピタキシャル成長層３を形成し、先に導入した不純物を拡散させてＮ型埋込層２を形成する。これには、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、エピタキシー技術、イオン注入技術等を用いればよい。

次に、図２（ｂ）のように、エッチング技術及びＣＶＤ（chemical vapor deposition ）技術を用いて分離絶縁層４ａ及び４ｂを形成する。但し、ここで用いているトレンチ分離技術に代えて、熱酸化による分離絶縁膜を形成することもできる。この後、分離絶縁層４ａと分離絶縁層４ｂとの間の部分に、Ｎ型埋込層２に達するＮ型拡散層５を形成する。これには、イオン注入及びアニールを行なえばよい。

次に、図２（ｃ）のように、分離絶縁層４ａの内側の部分のＮ型エピタキシャル成長層３に、リソグラフィ技術、イオン注入技術、アニール等によって、Ｐ型拡散層６とその上のＮ型埋込層２とを形成する。尚、Ｐ型拡散層は、Ｎ型埋込層２には接触しない深さに形成する。これにより、Ｎ型拡散層５、Ｎ型埋込層２及びＮ型エピタキシャル成長層３の一部をコレクタ、Ｐ型拡散層６をベース、Ｎ型拡散層７をエミッタとするフォトトランジスタが構成される。

ここで、エミッタであるＮ型拡散層７については、前記の通り浅く形成する必要がある。具体例として、青色光を受光するためにはＮ型拡散層７が０．３μｍ以下の深さに形成されるように（言い換えると、Ｎ型拡散層７の厚さが０．３μｍ以下になるように）する必要がある。よって、これを実現するようにイオン注入、熱処理等の条件を設定する。

例として、イオン種として砒素（Ａｓ）を用い、加速エネルギー２０ｋｅＶにて注入した後、層間膜（図示省略）を平坦化するためのリフロー（温度８５０℃、時間６０分）の際に拡散することにより、Ｎ型拡散層７の深さを０．３μｍ以下とすることができる。

また、イオン種がアンチモン（Ｓｂ）である場合、加速エネルギー３０ｋｅＶにて注入し、Ａｓの場合と同様のリフローによって深さ０．３μｍ以下のＮ型拡散層７を実現することができる。

次に、ＣＶＤ技術、スパッタ技術、リソグラフィ技術、エッチング技術等を用いる工程を経て、図１（ａ）に示す光半導体装置２０を得る。具体的には、図２（ｃ）の工程の後、Ｎ型エピタキシャル成長層３上に、Ｎ型拡散層７、Ｎ型拡散層５等の上を覆うように反射防止膜８を形成する。反射防止膜８としては、例えば、形成が容易なシリコン窒化膜を用いるのが良い。

次に、Ｎ型拡散層７及びＮ型拡散層５上において、それぞれ電極９ａ及び９ｂを形成する。このとき、対応する部分の反射防止膜８を開口して電気的接続を得る。電極９ａ及び９ｂの材料としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等金属材料であれば問題なく利用できる。金属材料の他には、透明電極（ＩＴＯ）を用いることも考えられる。

本実施形態の光半導体装置２０は、以上のようにして製造される。尚、それぞれの材料、寸法、各種処理の条件等は、望ましいものであるが、記載に限定されることはない。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３は、本実施形態の光半導体装置２０ａの要部断面を示す図である。光半導体装置２０ａは、第１の実施形態の光半導体装置２０（図１（ａ））と比較すると、エミッタであるＮ型拡散層７に代えてＮ型拡散層７ａを備える点が主な違いであり、その他の点は同様である。よって、図３において図１（ａ）と同様の構成要素には同じ符号を用いることにより詳しい説明を省略する。

図１（ａ）の光半導体装置２０において、Ｎ型拡散層７は、Ｐ型拡散層６全面上を覆うように形成されている。これは、フォトトランジスタの受光面全面を覆うように形成されているということでもある。

これに対し、図３に示す本実施形態の光半導体装置２０ａにおいて、エミッタＥとして機能するＮ型拡散層７ａは、ベースであるＰ型拡散層６上部に埋め込まれるように形成されている。これと共に、Ｐ型拡散層６上を部分的に覆っており、基板１の主面方向について、Ｎ型拡散層７ａの一部とＰ型拡散層６の一部とが交互に配置されるようになっている。このような構成は、Ｎ型拡散層７ａの平面形状を設定することにより実現する。

図４（ａ）〜（ｄ）は、Ｎ型拡散層７ａの平面形状の具体例を示す図である。図４（ａ）の場合、Ｎ型拡散層７ａはストライプ状に複数並んだ平面形状でとなっている。図４（ｂ）の場合、複数のストライプが一方の端部付近で互いに接続された櫛形状の平面形状である。図４（ｃ）の場合、ストライプが両端付近で互いに接続され、梯子状の平面形状となっている。更に、図４（ｄ）の場合、ストライプが縦横に重なった格子状の平面形状となっている。以上に例示するいずれの場合も、基板１の主面に沿う方向の一つである破線の方向に見ると、Ｎ型拡散層７ａの一部とＰ型拡散層６の一部とが交互に配置されるようになっている。

尚、Ｎ型拡散層７ａは電極９ａ（図３参照）まで続く導電経路として機能するべきものであるから、孤立した部分が無いように形成するのがよい。また、図４（ａ）のように複数部分に分割して形成する場合、がそれぞれの部分に対して電極９ａが接続されているようにする。

このような平面形状のＮ型拡散層７ａとすると、以下の通り、フォトトランジスタの動作速度低下を抑制しながら受光感度を向上することができる。

第１の実施形態の光半導体装置２０の場合、エミッタであるＮ型拡散層７がベースであるＰ型拡散層６の全面上に形成されていることにより、キャリアがベース内を水平方向に走行することなくエミッタに到達するようになっている。また、Ｎ型拡散層７を浅く形成することにより、Ｎ型拡散層７における入射光の吸収を抑制し、受光感度を向上している。

これに対し、本実施形態の光半導体装置２０ａの場合、Ｐ型拡散層６の一部はＮ型拡散層７ａには覆われていない。このような部分において、入射光は、Ｎ型拡散層７ａを通過することなく、そのため、Ｎ型拡散層７ａにおいて吸収されて弱まることなく、Ｐ型拡散層６に到達する。よって、Ｐ型拡散層６全面上がＮ型拡散層７によって覆われている構成に比べて受光感度が高くなる。

また、基板１の主面方向について、Ｎ型拡散層７ａの一部とＰ型拡散層６の一部とが交互に配置されているため、Ｐ型拡散層６の露出した部分において生じたキャリアは、比較的短い距離を水平に走行するだけでＮ型拡散層７ａに到達し、ベース電流として機能する。よって、エミッタがベースの端部のみに形成されているような構成に比べ、フォトトランジスタは高速に動作する。

これを確実にするためには、Ｎ型拡散層７ａの平面形状は、ある程度細かい寸法のパターンである方が良い。例えば、図３において、Ｎ型拡散層７ａの一部同士の間隔Ａ（Ｎ型拡散層７ａの一部同士に挟まれた部分のＰ型拡散層６の幅）は、１μｍ程度にするのがよい。これよりも寸法が大きくなると、キャリアが水平に走行するべき距離が長くなり、フォトトランジスタの動作速度が劣化する。尚、受光領域（図３の場合、分離絶縁層４ａの内側の領域）は、例えば、一辺が１００ｎｍ程度の大きさである（各図は模式図であり、実際のスケールは示していない）。

また、受光領域においてＮ型拡散層７ａの占める割合が大きくなると、受光効率が悪くなる。そのため、Ｎ型拡散層７ａのパターン幅Ｂについても小さくすることが望ましく、例えば、Ｎ型拡散層７ａ同士の間隔と同様に１μｍ程度とするのがよい。

尚、本実施形態におけるＮ型拡散層７ａについても、第１の実施形態におけるＮ型拡散層７と同様に、浅く（例えば０．３μｍ以下の深さに）形成されている。このため、Ｎ型拡散層７ａの部分に入射した光は、第１の実施形態の場合と同様に、それほどＮ型拡散層７ａにおける吸収を受けることなくＰ型拡散層６に到達する。

このようにして、光半導体装置２０ａはフォトトランジスタの動作の高速化と感度の向上とを共に実現している。

次に、本実施形態の光半導体装置２０ａの製造方法を説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は、光半導体装置２０ａの製造方法を説明するための断面図である。

まず、第１の実施形態において説明したようにして、図２（ｂ）に示す工程までを行なう。次に、図５（ａ）に示すように、分離絶縁層４ａの内側の部分のＮ型エピタキシャル成長層３に、Ｎ型埋込層２には接触しない深さのＰ型拡散層６を形成する。

続いて、図５（ｂ）に示すように、Ｐ型拡散層６上に部分的にＮ型拡散層７ａを形成する。この際、例えば図４（ａ）〜（ｄ）に示したような平面形状のＮ型拡散層７ａとする。第１の実施形態の場合と同様のイオン注入及び層間膜平坦化のためのリフローにより、Ｎ型拡散層７ａを０．３μｍ以下のように浅くすることができる。

この後、やはり第１の実施形態の場合と同様にして、反射防止膜８と、電極９ａ及び９ｂとを形成し、図３に示す光半導体装置２０ａを得る。それぞれの材料等についても、第１の実施形態と同様にすればよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態の光半導体装置２０ｂの要部断面を示す図である。光半導体装置２０ｂは、第２の実施形態の光半導体装置２０ａ（図３）と比較すると、エミッタであるＮ型拡散層７に代えてＮ型拡散層７ｂを備える点が主な違いであり、その他の点は同様である。よって、図６において図３と同様の構成要素には同じ符号を用いることにより詳しい説明を省略する。

図３の光半導体装置２０ａにおいて、Ｎ型拡散層７ａは、Ｐ型拡散層６上に形成されている。Ｎ型拡散層７ａ上は、反射防止膜８によって覆われている。

これに対し、図６に示す本実施形態の光半導体装置２０ｂにおいて、Ｎ型拡散層７ｂは、Ｐ型拡散層６の内部に埋め込まれて形成されている。つまり、Ｎ型拡散層７ｂ上をＰ型拡散層６の一部が覆っている。尚、エミッタ電極である電極９ａとＮ型拡散層７ｂとの電気的接続のため、電極９ａとＮ型拡散層７ｂの間に、追加のＮ型拡散層１５が形成されている。

このような構成のため、入射光がエミッタであるＮ型拡散層７ｂに到達するためには、その上の部分のＰ型拡散層６を通過しなければならない。言い換えると、入射光が直接Ｎ型拡散層７ｂに入ることはない。このため、エミッタであるＮ型拡散層７ｂにおける再結合は抑制され、また、ベースであるＰ型拡散層６において吸収される光が増加することからフォトトランジスタの増幅作用が高効率化し、受光感度が向上する。

尚、Ｎ型拡散層７ｂは、表面から入射光の吸収長以上の深さに形成されているのがよい。言い換えると、Ｎ型拡散層７ｂ上に位置する部分のＰ型拡散層６の厚さが、入射光のシリコンにおける吸収長以上であるのがよい。このようにすると、Ｎ型拡散層７ｂに到達する入射光について、Ｐ型拡散層６を通過する間に吸収される割合が十分大きくなるため、望ましい。青色光を受光するのであれば、Ｎ型拡散層７ｂ上にＰ型拡散層６が０．３μｍ以上の厚さに形成されているようにする。

Ｎ型拡散層７ｂの平面形状及び寸法については、第２の実施形態におけるＮ型拡散層７ａと同様である。つまり、基板１の主面方向について、Ｎ型拡散層７ｂの一部とＰ型拡散層６の一部とが交互に配置されるようになっており、図４（ａ）〜（ｄ）はＮ型拡散層７ｂの平面形状の具体例でもある。また、Ｎ型拡散層７ｂのパターン幅Ｂ及びＮ型拡散層７ｂの一部同士の間隔Ａについて、ある程度小さい方が良く、１μｍ程度とするのがよい。更に、このようにすることにより、ベースであるＰ型拡散層６内をキャリアが水平方向に走行する距離を短縮し、フォトトランジスタの動作を高速化することができる点についても、第２の実施形態と同様である。

次に、本実施形態の光半導体装置２０ｂの製造方法を説明する。図７（ａ）及び（ｂ）は、光半導体装置２０ｂの製造方法を説明するための断面図である。

まず、第１の実施形態において説明したようにして、図２（ｂ）に示す工程までを行なう。次に、図７（ａ）に示すように、分離絶縁層４ａの内側の部分のＮ型エピタキシャル成長層３に、Ｎ型埋込層２には接触しない深さのＰ型拡散層６を形成する。

続いて、図７（ｂ）に示すように、イオン注入及びアニールを行なってＰ型拡散層６内に埋め込むようにＮ型拡散層７ｂを形成する。

このためには、例えばイオン種が燐（Ｐ）の場合、加速エネルギー２００ｋｅＶ以上の条件により注入を行なうことにより、Ｐ型拡散層６内の深さ０．３μｍ以上の位置にＮ型拡散層７ｂを形成することができる。

また、イオン種が砒素（Ａｓ）の場合、加速エネルギー５００ｋｅＶ以上の条件により注入を行なうと共に、リフロー等の熱処理（８５０℃〜９００℃）を行なうことにより、Ｐ型拡散層６内の深さ０．３μｍ以上の位置にＮ型拡散層７ｂを形成することができる。

更に、イオン種がアンチモン（Ｓｂ）である場合、加速エネルギー８００ｋｅＶ以上の条件により注入を行なうと共に、リフロー等の熱処理（８５０℃〜９００℃）を行なうことにより、Ｐ型拡散層６内の深さ０．３μｍ以上の位置にＮ型拡散層７ｂを形成することができる。

尚、イオン種の拡散を抑制するために、イオン注入の後に高温・長時間の熱処理を行なうことは避けるのが望ましい。

この後、電極９ａとＮ型拡散層７ｂとの電気的接続を行なうための追加のＮ型拡散層１５を設けた後、第１の実施形態の場合と同様にして、反射防止膜８と、電極９ａ及び９ｂとを形成し、図６に示す光半導体装置２０ｂを得る。それぞれの材料等についても、第１の実施形態と同様にすればよい。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る光半導体装置とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態の光半導体装置２０ｃの要部断面を示す図である。光半導体装置２０ｃは、第３の実施形態の光半導体装置２０ｂ（図６）と比較すると、ベースである部分の構成が主な違いであり、その他の点は同様である。よって、図６において図６と同様の構成要素には同じ符号を用いることにより詳しい説明を省略する。

図６の光半導体装置２０ｂにおいて、ベースである部分は、Ｐ型拡散層６によって構成されている。これに対し、図８に示す光半導体装置２０ｂにおいて、ベースＢである部分は、Ｐ型拡散層６ａ及びその上に形成されたＰ型エピタキシャル成長層（シリコン層）１０によって構成されている。

このような構成によっても、ベースＢ内にエミッタＥ（Ｎ型拡散層７ｃ）が埋め込まれた構造となり、第３の実施形態における光半導体装置２０ｂと同様の効果が得られる。

以下に、本実施形態の光半導体装置２０ｃの製造方法を説明する。図９（ａ）〜（ｃ）は、光半導体装置２０ｃの製造方法を説明するための断面図である。

まず、第１の実施形態において説明したようにして、図２（ａ）に示す工程を行なう。

次に、図９（ａ）に示す通り、Ｎ型埋込層２の上方において、Ｎ型エピタキシャル成長層３にＰ型不純物を導入してＰ型拡散層６ａを形成する。

次に、図９（ｂ）に示す通り、Ｐ型拡散層６ａ上にＮ型不純物を導入してＮ型拡散層７ｃを形成する。

次に、図９（ｃ）に示す通り、Ｎ型エピタキシャル成長層３上に、Ｐ型拡散層６ａ及びＮ型拡散層７ｃを覆うように、Ｐ型エピタキシャル成長層１０を形成する。例えば、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３ ）ガスをソースガスとして、減圧枚葉方式でエピタキシャルを行う。成長温度は約１１００℃に設定し、成長速度が２μｍ／ｍｉｎになるようにガス流量を調整する。

続いて、分離絶縁層４ａ及び４ｂを形成し、その間の部分にＮ型埋込層２に達するＮ型拡散層５を形成する。更に、反射防止膜８と、電極９ａ及び９ｂとを形成し、図８に示す光半導体装置２０ｃを得る。

（第４の実施形態の第１の変形例）
次に、第４の実施形態の第１の変形例を説明する。本変形例の光半導体装置は、図８に示す第４の実施形態の光半導体装置２０ｃにおいて、Ｐ型エピタキシャル成長層１０の不純物濃度に傾斜を保たせた構成を有する。ここでは、基板１に向かって濃度が高くなる濃度傾斜である。

このように、ベースの表面層に濃度傾斜があると、受光領域の表面において発生したキャリアが濃度傾斜の電界によって加速され、走行速度が高くなる。この結果、ベース内を走行する時間が短縮され、フォトトランジスタが高速化する。

このような濃度傾斜は、図９（ｃ）に示すＰ型エピタキシャル成長層１０の形成の際に生じさせることができる。つまり、エピタキシャル成長を行なう際に、Ｐ型エピタキシャル成長層１０の成長に合わせてドープするボロンの量を減少させる。このようにすると、基板１の側の濃度が高く、表面に向かって濃度が低くなるような濃度傾斜を実現することができる。

（第４の実施形態の第２の変形例）
次に、第４の実施形態の第２の変形例を説明する。本変形例の光半導体装置は、図８に示す第４の実施形態の光半導体装置２０ｃにおいて、Ｐ型エピタキシャル成長層１０がシリコン以外の半導体材料からなり、ヘテロ接合となっている構成を有する。例えば、波長の短い青色光に対する感度を高めるため、Ｓｉよりもバンドギャップを大きくすることができるＳｉＣｘ（０＜ｘ＜１）からなるエピタキシャル成長層を設けてもよい。

尚、第１〜第４の実施形態（変形例を含む）において、いずれもＮＰＮ型フォトトランジスタを説明しているが、ＰＮＰ型であってもよい。例えば、図１（ａ）においてＰ型とＮ型とを全て逆にした構造であっても良い。

本発明の光半導体装置は、感度の向上と動作の高速化とを両立しており、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ等の光ピックアップ部、中でも青色光を用いるＢＤの光ピックアップ部として有用である。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態における光半導体装置２０の構成を示す断面図及び平面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、光半導体装置２０の製造工程を説明する断面図である。 図３は、本発明の第２の実施形態における光半導体装置２０ａの構成を示す断面図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、光半導体装置２０ａにおけるＮ型拡散層７ａの平面形状の例を示す図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、光半導体装置２０ａの製造工程を説明する断面図である。 図６は、本発明の第３の実施形態における光半導体装置２０ｂの構成を示す断面図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、光半導体装置２０ｂの製造工程を説明する断面図である。 図８は、本発明の第４の実施形態における光半導体装置２０ｃの構成を示す断面図である。 図９（ａ）〜（ｃ）は、光半導体装置２０ｃの製造工程を説明する断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ Ｎ型埋込層
３ Ｎ型エピタキシャル成長層
４ａ 分離絶縁層
４ｂ 分離絶縁層
５ Ｎ型拡散層
６ Ｐ型拡散層
６ａ Ｐ型拡散層
７ Ｎ型拡散層
７ａ Ｎ型拡散層
７ｂ Ｎ型拡散層
７ｃ Ｎ型拡散層
８ 反射防止膜
９ａ 電極
９ｂ 電極
１０ Ｐ型エピタキシャル成長層
１５ Ｎ型拡散層
２０ 光半導体装置
２０ａ 光半導体装置
２０ｂ 光半導体装置
２０ｃ 光半導体装置

Claims (11)

1. 入射光を受光するフォトトランジスタを有し、
   前記フォトトランジスタは、
   半導体基板上に形成された第１導電型のコレクタ層と、
   前記コレクタ層上に形成された第２導電型のベース層と、
   前記ベース層上に形成された第１導電型のエミッタ層とを備え、
   前記エミッタ層の厚さは、前記入射光の前記半導体基板における吸収長以下であることを特徴とする光半導体装置。
2. 請求項１において、
   前記エミッタ層は、前記ベース層を覆うように形成されていることを特徴とする光半導体装置。
3. 請求項１において、
   前記エミッタ層は、前記ベース層の上部に埋め込まれるように形成されていると共に、
   前記フォトトランジスタの表面において、前記エミッタ層の一部と前記ベース層の一部とが交互に配置されていることを特徴とする光半導体装置。
4. 請求項３において、
   前記エミッタ層は、櫛形状、梯子状又は格子状の平面形状を有することを特徴とする光半導体装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一つにおいて、
   前記入射光は、青色光であることを特徴とする光半導体装置。
6. 入射光を受光するフォトトランジスタを有し、
   前記フォトトランジスタは、
   半導体基板上に形成された第１導電型のコレクタ層と、
   前記コレクタ層上に形成された第２導電型のベース層と、
   前記ベース層の内部に埋め込まれて形成された第１導電型のエミッタ層とを備え、
   前記エミッタ層上に位置する部分の前記ベース層の厚さは、前記入射光の前記半導体基板における吸収長以下であることを特徴とする光半導体装置。
7. 請求項６において、
   前記エミッタ層は、前記半導体基板の主面方向に前記エミッタ層の一部と前記ベース層の一部とが交互に配置される平面形状を有することを特徴とする光半導体装置。
8. 請求項７において、
   前記エミッタ層は、櫛形状、梯子状又は格子状の平面形状を有することを特徴とする光半導体装置。
9. 請求項６〜８のいずれか一つにおいて、
   前記エミッタ層上に位置する部分の前記ベース層において、第２導電型不純物の濃度は、表面に近くなるほど低くなっていることを特徴とする光半導体装置。
10. 請求項６〜９のいずれか一つにおいて、
    前記エミッタ層上に位置する部分の前記ベース層は、前記半導体基板よりもバンドギャップが大きい半導体材料により形成されていることを特徴とする光半導体装置。
11. 請求項６〜１０のいずれか一つにおいて、
    前記入射光は、青色光であることを特徴とする光半導体装置。

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