JP2009218457A - 光半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【目的】受光感度の向上、動作の高速化およびノイズの低減を併せて実現する光半導体装置を提供する。
【解決手段】光半導体装置は、半導体基板１と、半導体基板１上に形成された受光素子２と、半導体基板１上に形成され、受光素子２に隣接して配置された光吸収素子４と、半導体基板１上に形成された信号処理用の半導体素子３とを備えている。また、光吸収素子４は第５の半導体層２９を有しており、受光素子２の光吸収領域の構成と光吸収素子の光吸収領域との構成とは異なっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子とトランジスタとが同一基板上に混載された光半導体装置に関する。
光半導体装置の代表的な素子である受光素子は、光信号を電気信号に変換する素子であり、様々な分野で用いられている。中でもＣＤ(Compact Disc)やＤＶＤ(Digital Versatile Disc)等の光ディスク分野において、光ディスク上に記録されている信号を読み書きする光ピックアップ装置のキーデバイスとして重要である。近年、高性能化・高集積化の要請により、受光素子であるフォトダイオードと、バイポーラトランジスタ、抵抗、容量等の各種電子素子を同一基板上に混載したいわゆる光電子集積回路（ＯＥＩＣ）が実用化されている。また、光ディスクは高倍速化・多種ディスク対応・小型化が要求されており、ＯＥＩＣにおいても、高受光感度・高速・低ノイズ特性を有した受光素子と、高速・低ノイズ特性を有したバイポーラトランジスタとの混載が要求されている。特に最近は、光ディスクに対する大容量化の要求に従って、青色半導体レーザ（波長４０５ｎｍ）を光源として採用したＢｌｕ−ｒａｙ（ＢＤ）または、ＨＤ−ＤＶＤの製品化が開始され、青色半導体レーザに対応した短波長領域で高速・高受光感度・低ノイズ特性を有するＯＥＩＣが要請されている。
以下、第１の従来例に係る光半導体装置について説明する。
図７は、ＯＥＩＣである第１の従来例に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。ここでは、ｐ型のシリコン基板上に、受光素子としてｐｉｎフォトダイオード、バイポーラトランジスタとしてＮＰＮトランジスタが形成されたものを例示する。
図７に示すように、第１の従来例の光半導体装置は、低濃度のｐ型不純物を含むシリコン基板１０１と、シリコン基板１０１上に形成されたＮＰＮトランジスタ１０３と、シリコン基板１０１上に形成されたフォトダイオード１０２と、シリコン基板１０１上であってＮＰＮトランジスタ１０３とフォトダイオード１０２との間の領域に形成された光吸収素子１０４とを備えている。また、従来の光半導体装置はシリコン基板１０１上に形成された高濃度のｐ型不純物を含む第１のｐ型埋め込み層１０５と、第１のｐ型埋め込み層１０５上に形成され、低濃度のｐ型不純物を含むｐ型エピタキシャル層１０６と、ｐ型エピタキシャル層１０６上に形成されたｎ型エピタキシャル層１０７と、ｎ型エピタキシャル層１０７上に形成され、光吸収素子１０４とフォトダイオード１０２とを分離するＬＯＣＯＳ分離層１０８と、ｎ型エピタキシャル層１０７およびＬＯＣＯＳ分離層１０８上に形成された絶縁膜１０９とを備えている。
フォトダイオード１０２は、上述のｐ型エピタキシャル層１０６の一部と、ｎ型エピタキシャル層１０７の一部で構成されたｎ型のカソード層１１０の一部と、カソード層１１０の上に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むカソードコンタクト層１１１の一部と、高濃度のｐ型不純物を含むアノード埋め込み層１１３と、アノード埋め込み層１１３上に設けられ、高濃度のｐ型不純物を含むアノードコンタクト層１１４と、カソードコンタクト層１１１上に形成された第１のカソード電極１１２と、アノードコンタクト層１１４上に形成された第１のアノード電極１１５とを有している。
ＮＰＮトランジスタ１０３は、ｐ型エピタキシャル層１０６とｎ型エピタキシャル層１０７との間に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むコレクタ埋め込み層１１６と、コレクタ埋め込み層１１６上に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むコレクタコンタクト層１１７と、ｎ型エピタキシャル層１０７のうちコレクタ埋め込み層１１６の上方に位置する領域に形成されたｐ型のベース層１１９と、ベース層１１９内に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むエミッタ層１２１と、コレクタコンタクト層１１７上に形成されたコレクタ電極１１８と、ベース層１１９上に形成されたベース電極１２０と、エミッタ層１２１上に形成されたエミッタ電極１２２とを有している。
光吸収素子１０４は、ｐ型エピタキシャル層１０６の一部と、ｐ型エピタキシャル層１０６上に形成されたカソード層１１０の一部と、カソード層１１０上に形成されたカソードコンタクト層１１１の一部と、ｐ型エピタキシャル層１０６上に形成されたｐ型のアノード埋め込み層１１３と、アノード埋め込み層１１３上に形成されたｐ型のアノードコンタクト層１１４と、カソードコンタクト層１１１上に形成された第２のカソード電極１２３と、アノードコンタクト層１１４上に形成された第２のアノード電極１２４とを有している。
以上のように構成された従来の光半導体装置について、以下その動作を説明する。
フォトダイオード１０２の上面に光が入射すると、カソード層１１０とアノードであるｐ型エピタキシャル層１０６とで吸収され、電子・正孔対が発生する。この時、フォトダイオード１０２に逆バイアスＶ１を印加すると、不純物濃度が低いｐ型エピタキシャル層１０６側に空乏層が広がり、空乏層近傍で発生した電子・正孔対のうち、電子はカソードコンタクト層１１１に、正孔はアノード埋め込み層１１３に拡散とドリフトによりそれぞれ分離されて到達し、キャリアがそれぞれ第１のカソード電極１１２と、第１のアノード電極１１５より光電流として取り出される。この光電流は、ＮＰＮトランジスタ１０３やシリコン基板１０１上に混載された抵抗素子や容量素子などで構成された電子回路により、増幅や信号処理されて出力され、光ディスクの記録や再生信号となる。
また、第１のｐ型埋め込み層１０５はシリコン基板１０１よりも高濃度のｐ型不純物を含むため、ポテンシャルバリアが形成される。シリコン基板１０１で発生したキャリアは、シリコン基板１０１が空乏化していないため拡散で移動するが、上記のポテンシャルバリアにより、第１のｐ型埋め込み層１０５で他方のキャリアと再結合し、ｐ型エピタキシャル層１０６に到達しない。さらに、ｐ型エピタキシャル層１０６中の不純物を低濃度にしてこの層を完全に空乏化させると、光電流は高速成分であるドリフト電流が支配的となり、低速成分である拡散電流がほとんど寄与しないため、フォトダイオード１０２の動作の高速化が可能となる。また、第１のｐ型埋め込み層１０５により形成される上述のポテンシャルバリアにより、シリコン基板１０１で発生したキャリアはＮＰＮトランジスタ１０３にも到達しないため、トランジスタの誤動作やノイズ成分を抑制できる。
また、アノードであるｐ型エピタキシャル層１０６で発生したキャリアが、ＮＰＮトランジスタ１０３に到達すると、コレクタ電流成分となるため、回路の誤動作やノイズ成分になる。特に、フォトダイオード１０２に十分に集光されずに（フォトダイオード１０２の）外側に光が入射する場合には、ｐ型エピタキシャル層１０６のうち、フォトダイオード１０２とＮＰＮトランジスタ１０３との境界領域に位置する部分で多くのキャリアが発生するため、この不具合がより顕著になる。
これに対し、第１の従来例に係る光半導体装置では、光吸収素子１０４がフォトダイオード１０２とＮＰＮトランジスタ１０３の間に形成されており、かつ、動作時には第２のカソード電極１２３と第２のアノード電極１２４との間に逆バイアスを印加する。これにより、光吸収素子１０４のカソード層１１０及びアノードであるｐ型エピタキシャル層１０６でフォトダイオードが形成されるため、漏れ出たキャリアはそれぞれカソードコンタクト層１１１とアノードコンタクト層１１４に吸収される。第２のカソード電極１２３と第２のアノード電極１２４の配線を、フォトダイオード１０２やＮＰＮトランジスタ１０３の配線に接続しないようにすると、信号処理部に余分な成分が入らず、ノイズを低減することができる。
次に、漏れ出るキャリアを抑制するための、第２の従来例に係る光半導体装置について説明する。
図８は、第２の従来例に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。この例では、光吸収素子は設けられておらず、フォトダイオード１０２の構成が第１の従来例と異なっている。
第２の従来例に係る光半導体装置は、シリコン基板１０１上に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むｎ型埋め込み層１２６と、ｎ型埋め込み層１２６上に形成され、高濃度のｐ型不純物を含むｐ型埋め込み層１２５と、ｐ型埋め込み層１２５上に形成されたｎ型のカソード層１１０と、カソード層１１０上に形成されたｎ型のカソードコンタクト層１１１と、ｎ型埋め込み層１２６上に形成され、高濃度のｐ型不純物を含むアノードコンタクト層１１４と、ｎ型埋め込み層１２６上に形成されたｎ型コンタクト層１２７と、カソードコンタクト層１１１上に形成された第１のカソード電極１１２と、アノードコンタクト層１１４上に形成された第１のアノード電極１１５と、ｎ型コンタクト層１２７上に形成されたダミーカソード電極１２８とを有している。
この構成では、ｎ型エピタキシャル層１０７（カソード層１１０）とｐ型埋め込み層１２５間のＰＮ接合によりフォトダイオードが形成されている。それに加えて、ｐ型埋め込み層１２５とｎ型埋め込み層１２６間、及びｎ型埋め込み層１２６とシリコン基板１０１間にもＰＮ接合が形成されている。
さらに、第１のカソード電極１１２と第１のアノード電極１１５間に逆バイアスＶ１が、ダミーカソード電極１２８と第１のアノード電極１１５間に逆バイアスＶ２が、それぞれ印加されている。そのため、シリコン基板１０１で吸収された光により発生したキャリアは、ダミーのフォトダイオードにより吸収され、ｎ型埋め込み層１２６、ｎ型コンタクト層１２７、ダミーカソード電極１２８の経路で移動し、光電流に寄与しない。よって遅い拡散電流成分が抑制され、高速化が可能となる。また、Ｖ１＜Ｖ２とすることによりフォトダイオード１０２からＮＰＮトランジスタ１０３へ漏れ出るキャリアも抑制できる。
特開昭６３−１６０２７０号公報 特開平１０−４１４８８号公報
第１の従来例に係る光半導体装置では、フォトダイオード１０２から漏れ出るキャリアを完全に光吸収素子１０４に吸収させるために、一般的にＶ１＜Ｖ２で使用される場合が多い。このとき、フォトダイオード１０２及び光吸収素子１０４のｐ型エピタキシャル層１０６は完全に空乏化され、かつ電位分布は光吸収素子１０４の方向に傾斜している。その結果、ｐ型エピタキシャル層１０６及びｎ型エピタキシャル層１０７のうちフォトダイオード１０２の光吸収素子１０４近傍に位置する部分で発生したキャリアが、光吸収素子１０４の方向へ引っ張られ、光電流には寄与しなくなる。つまり、本来は光電流として寄与すべき成分が減少し、受光感度の低下を招く課題がある。さらに、ｐ型エピタキシャル層１０６はフォトダイオード１０２の光吸収素子１０４に共通に用いられているため、両素子間のアイソレーション（分離）特性が悪く、リーク電流やノイズ成分が増大するという課題もある。
また、第２の従来例に係る光半導体装置では、ＮＰＮトランジスタ１０３の高速応答が要求される場合、コレクタ抵抗の低下等により周波数特性の悪化が起こるため、ｎ型エピタキシャル層１０７をあまり厚くすることができない。その場合、光の吸収長の長い赤や赤外光に対して、感度が低下するという課題がある。また、ダミーフォトダイオードはフォトダイオード１０２に対して並列に接続された構造であるため、ｐ型埋め込み層１２５とｎ型埋め込み層１２６との間、ｎ型埋め込み層１２６とシリコン基板１０１との間、及びアノードコンタクト層１１４とｎ型コンタクト層１２７との間のそれぞれの接合容量がフォトダイオード１０２に対して寄生容量として付加されるため、ＣＲ積に左右される周波数特性の低下を招く原因となる。
本発明は、上記従来技術の不具合を解決するもので、受光感度の向上、動作の高速化およびノイズの低減を併せて実現する光半導体装置を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明の光半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された受光素子と、前記半導体基板上に形成され、前記受光素子に隣接して配置された光吸収素子と、前記半導体基板上に形成された信号処理用の半導体素子とを備えた光半導体装置であって、前記受光素子の光吸収領域の構成と前記光吸収素子の光吸収領域との構成が異なっている。
このため、受光素子と光吸収素子の光吸収領域の構成を個別に調節することにより、感度を向上させつつノイズの低減を図り、半導体素子および受光素子の動作速度の向上を図ることができる。
具体的には、本発明の光半導体装置が前記半導体基板上に形成された第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された第２導電型の第２の半導体層とをさらに備え、前記受光素子は、前記第１の半導体層の一部と、前記第２の半導体層の一部で構成され、前記第１の半導体層とＰＮ接合を形成する第３の半導体層と、前記第３の半導体層上に形成され、前記第３の半導体層よりも不純物濃度が高い第２導電型の第１のカソードコンタクト層と、前記第１の半導体層上に形成された第１導電型の第４の半導体層と、前記第４の半導体層上に形成された第１導電型の第１のアノードコンタクト層と、前記第１のカソードコンタクト層上に形成された第１のカソード電極と、前記第１のアノードコンタクト層上に形成された第１のアノード電極とを有しており、前記光吸収素子は、前記第１の半導体層の一部と、前記第１の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層よりも不純物濃度が高い第１導電型の第５の半導体層と、前記第２の半導体層の一部で構成され、前記第５の半導体層上にＰＮ接合された第２導電型の第６の半導体層と、前記第６の半導体層上に形成され、前記第６の半導体層よりも不純物濃度が高い第２導電型の第２のカソードコンタクト層と、前記第５の半導体層上に形成された第１導電型の第２のアノードコンタクト層と、前記第２のカソードコンタクト層上に形成された第２のカソード電極と、前記第２のアノードコンタクト層上に形成された第２のアノード電極とを有していてもよい。
この構成によれば、光吸収素子に第６の半導体層とＰＮ接合する第５の半導体層が設けられているため、第１の半導体層のうち光吸収素子の下部に位置する部分は空乏化されない。このため、受光素子のうち光吸収素子近傍の部分で発生したキャリアが光吸収素子に流れなくなり、受光感度を向上させることができる。また、第５の半導体層と第１の半導体層との間、および第５の半導体層と受光素子と第２の半導体層との間にポテンシャルバリアが形成されるため、受光素子と光吸収素子とが電気的に分離され、リーク電流およびノイズ成分を低減することができる。さらに、光吸収素子は受光素子の寄生容量成分とならないので、受光素子の動作速度を向上させることができる。
本発明に係る光半導体装置によれば、第５の半導体層の存在により、受光感度を向上させ、リーク電流やノイズの発生を抑え、受光素子の動作の高速化を図ることができる。
（第１の実施形態）
以下、ＯＥＩＣである本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、第１の実施形態に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。ここでは、ｐ型のシリコン基板上に、受光素子としてｐｉｎフォトダイオードが形成され、バイポーラトランジスタ（半導体素子）としてＮＰＮトランジスタが形成されたものを例示する。
図１に示すように、本実施形態の光半導体装置は、低濃度のｐ型不純物を含むシリコン等からなる半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたＮＰＮトランジスタ３と、半導体基板１上に形成されたフォトダイオード２と、半導体基板１上であってＮＰＮトランジスタ３とフォトダイオード２との間の領域に形成された光吸収素子４とを備えている。また、本実施形態の光半導体装置は、半導体基板１上に形成され、高濃度のｐ型不純物を含む第１のｐ型埋め込み層５と、第１のｐ型埋め込み層５上に形成され、低濃度のｐ型不純物を含むｐ型エピタキシャル層（第１の半導体層）６と、ｐ型エピタキシャル層６上に形成されたｎ型エピタキシャル層（第２の半導体層）７と、ｎ型エピタキシャル層７上に形成され、光吸収素子４とフォトダイオード２とを分離するＬＯＣＯＳ分離層８と、ｎ型エピタキシャル層７およびＬＯＣＯＳ分離層８上に形成された絶縁膜９とを備えている。
フォトダイオード２は、上述のｐ型エピタキシャル層６の一部と、ｎ型エピタキシャル層７の一部で構成されたｎ型のカソード層（第３の半導体層）１０ａと、カソード層１０ａの上に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むカソードコンタクト層１１ａと、高濃度のｐ型不純物を含み、ｐ型エピタキシャル層６上に形成されたアノード埋め込み層（第４の半導体層）１３ａと、アノード埋め込み層１３ａ上に設けられ、高濃度のｐ型不純物を含むアノードコンタクト層１４ａと、カソードコンタクト層１１ａ上に形成された第１のカソード電極１２と、アノードコンタクト層１４ａ上に形成された第１のアノード電極１５とを有している。
ＮＰＮトランジスタ３は、ｐ型エピタキシャル層６とｎ型エピタキシャル層７との間に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むコレクタ埋め込み層１６と、コレクタ埋め込み層１６上に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むコレクタコンタクト層１７と、ｎ型エピタキシャル層７のうちコレクタ埋め込み層１６の上方に位置する領域に形成されたｐ型のベース層１９と、ベース層１９内に形成され、高濃度のｎ型不純物を含むエミッタ層２１と、コレクタコンタクト層１７上に形成されたコレクタ電極１８と、ベース層１９上に形成されたベース電極２０と、エミッタ層２１上に形成されたエミッタ電極２２とを有している。
光吸収素子４は、ｐ型エピタキシャル層６の一部と、ｐ型エピタキシャル層６上に形成され、高濃度のｐ型不純物を含む第２のｐ型埋め込み層（第５の半導体層）２９と、第２のｐ型埋め込み層２９上に形成され、ｎ型エピタキシャル層７の一部で構成されたカソード層１０ｂと、カソード層１０ｂ上に形成されたカソードコンタクト層１１ｂと、第２のｐ型埋め込み層２９上に形成され、高濃度のｐ型不純物を含むアノードコンタクト層１４ｂと、カソードコンタクト層１１ｂ上に形成された第２のカソード電極２３と、アノードコンタクト層１４ｂ上に形成された第２のアノード電極２４とを有している。本実施形態の光半導体装置の特徴は、光吸収素子４において、ｐ型エピタキシャル層６とカソード層１０ｂとの間に、第１のｐ型エピタキシャル層よりもｐ型不純物濃度が高い第２のｐ型埋め込み層２９が設けられていることにある。これにより、光吸収素子４におけるＰＮ接合の位置はフォトダイオード２におけるＰＮ接合の位置よりも浅くなっている。第２のｐ型埋め込み層２９の膜厚は０．３μｍ以上５．０μｍ以下程度であり、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下程度である。
以上のように構成された本実施形態の光半導体装置の動作について以下で説明する。
本実施形態の光半導体装置の基本的な動作は図７に示す第１の従来例に係る光半導体装置と同様である。フォトダイオード２に上方から光が入射すると、入射光はカソード層１０ａとｐ型エピタキシャル層６とで吸収され、電子・正孔対が発生し、電子はカソードコンタクト層１１ａから第１のカソード電極１２に主にドリフトにより到達し、正孔はアノード埋め込み層１３ａからアノードコンタクト層１４ａを介して第１のアノード電極１５に主に拡散により到達する。これにより、光電流が発生する。例えば、ｎ型エピタキシャル層７の膜厚を約１．０μｍ、不純物濃度を約１×１０１６ｃｍ−３、ｐ型エピタキシャル層６の膜厚を１０μｍ、不純物濃度を１×１０１４ｃｍ−３程度とすると、アノード側の空乏層の伸びは約１０μｍ程度となり完全空乏化され、特にＤＶＤで用いられる波長６５０ｎｍより短波長の光では、空乏層（光吸収領域）中で入射光がほとんど吸収されることになる。つまり、光電流は拡散電流成分が低下しドリフト電流成分が支配的となるため、フォトダイオード２の高速応答が可能となる。
また、光吸収素子４において、第２のｐ型埋め込み層２９がｐ型エピタキシャル層６とｎ型エピタキシャル層７（カソード層１０ｂ）と間に設けられており、フォトダイオード２の光吸収領域の構成は光吸収素子４の光吸収領域の構成とは異なっている。動作時には、光吸収素子４の第２のアノード電極２４と第２のカソード電極２３との間には逆バイアスＶ２を印加し、フォトダイオード２の第１のアノード電極１５と第１のカソード電極１２間には逆バイアスＶ１を印加する。このバイアス電圧Ｖ１、Ｖ２の条件の一例として、例えばＶ２≧Ｖ１の条件を満たすようにする。
上述のように駆動すれば、第２のｐ型埋め込み層２９が設けられていることにより、光吸収素子４下部のｐ型エピタキシャル層６は空乏化されず光吸収素子４方向への電位勾配を持たない。そのため、フォトダイオード２内の光吸収素子４近傍の領域で発生したキャリアのうち、正孔はアノード埋め込み層１３ａからアノードコンタクト層１４ａへ移動し、電子はカソード層１０ａからカソードコンタクト層１１ａにのみ移動する。この結果、光吸収により発生したキャリアが効率良く光電流として寄与することになるため、受光感度が向上する。特に、青色光等の短波長光は吸収長が短いため、第２のｐ型埋め込み層２９内でほとんどの光が吸収される。例えば、第２のｐ型埋め込み層２９の深さを１．０μｍとした場合では、波長４０５ｎｍの青色光に対して９９．９％の光がカソード層１０ａとカソードコンタクト層１１ａとで吸収される。従って、ｐ型エピタキシャル層６で発生するキャリアはほとんど無く、漏れ出たキャリアが発生しないため、青色光に対する受光感度は従来の光半導体装置に比べて著しく向上する。なお、第２のｐ型埋め込み層２９の不純物濃度のピーク位置の深さが入射光の吸収長よりも深ければ、受光感度が向上できるので好ましい。ここで、吸収長とは光が侵入することができる深さの目安で、光の強度が１／ｅ＝３７％になる（６３％の光が吸収される）深さのことである。
また、第２のｐ型埋め込み層２９によりｐ型エピタキシャル層６との間、およびカソード層１０ａとの間にポテンシャルバリアが形成されるため、フォトダイオード２と光吸収素子４とは電気的に完全に分離され、受光素子と光吸収素子間のアイソレーション特性が向上し、リーク電流及びノイズ成分が低減できる。
さらに、光吸収素子４はフォトダイオード２の横方向に配置され、且つ光吸収素子４とフォトダイオード２のアノード及びカソードはそれぞれ独立であるため、光吸収素子４はフォトダイオード２に対する寄生容量成分とはならず、ＣＲ積の低減によりフォトダイオード２の動作速度の高速化を実現できる。
次に、本実施形態の光半導体装置の平面的な構成についても説明する。図２は、第１の実施形態に係る光半導体装置を概略的に示す平面図である。
図２に示すように、本実施形態の光半導体装置において、受光面３２の周辺部に第１のカソード電極１２、第１のアノード電極１５が配置されている。ここで、図２では、第１のカソード電極１２と第１のアノード電極１５との間のＬＯＣＯＳ分離層は図示を省略している。
また、光吸収素子４は、フォトダイオード２を囲むように設けられている。すなわち、平面的に見て、ダミーアノード層３５はフォトダイオード２を囲むように設けられ、カソードコンタクト層（ダミーカソード層）１１ｂはダミーアノード層３５を囲むように設けられ、アノードコンタクト層（第２のダミーアノード層）１４ｂはカソードコンタクト層１１ｂを囲むように設けられている。ここで、図２では第２のカソード電極２３（図１参照）と第２のアノード電極２４の図示を省略している。光吸収素子４がフォトダイオード２を囲むように設けられていることにより、フォトダイオード２の周辺部に入射する光によって発生したキャリアを効率良く吸収することができるので、ノイズ成分を抑制し、混色の発生を抑えることができる。
ＮＰＮトランジスタ３を含む回路ブロック３８は、フォトダイオード２および光吸収素子４の周囲に配置されている。
フォトダイオード２の受光面の一辺の長さは例えば１０〜１００μｍ程度の四辺形であってもよく、直径が１０〜１００μｍ程度の円形等であってもよい。またしばしば、受光面３２が複数に分割され、それぞれの受光面に対してカソード電極またはアノード電極が形成された分割型フォトダイオードも用いられる。また、光吸収素子４の幅は数μｍ〜数1０μｍ程度である。
次に、本実施形態の光半導体装置の製造方法を説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。ここで、符号４０はフォトダイオード形成領域を示し、符号４１は光吸収素子形成領域を示し、符号４２はＮＰＮトランジスタ形成領域を示す。
まず、図４（ａ）に示すように、ホウ素（Ｂ）などのｐ型不純物イオンを例えばドーズ量１×１０１４ｃｍ−２程度で半導体基板１中に注入することにより、第１のｐ型埋め込み層５を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、膜厚が例えば１０μｍで１×１０１４ｃｍ−３程度のｐ型不純物を含む半導体からなるｐ型エピタキシャル層６をＣＶＤ法などにより第１のｐ型埋め込み層５上に形成する。
次に、図４（ｃ）に示すように、Ｂなどのｐ型不純物イオンを例えばドーズ量１×１０１４ｃｍ−２程度でｐ型エピタキシャル層６中に注入することにより、フォトダイオード形成領域４０ではアノード埋め込み層１３ａを形成し、光吸収素子形成領域４１では第２のｐ型埋め込み層２９を形成する。また、アンチモン（Ｓｂ）などのｎ型不純物イオンを例えばドーズ量１×１０１４ｃｍ−２程度でｐ型エピタキシャル層６中に注入することにより、ＮＰＮトランジスタ形成領域４２ではコレクタ埋め込み層１６を形成する。
次に、図４（ｄ）に示すように、膜厚が例えば１．０μｍで１×１０１６ｃｍ−３程度のｎ型不純物を含む半導体からなるｎ型エピタキシャル層７をＣＶＤ法などにより、ｐ型エピタキシャル層６、アノード埋め込み層１３ａ、第２のｐ型埋め込み層２９、およびコレクタ埋め込み層１６の上に形成する。
次いで、図４（ｅ）に示すように、公知の方法によりＬＯＣＯＳ分離層８を形成した後、イオン注入法などを用いて、フォトダイオード形成領域４０ではｎ型エピタキシャル層７内にｎ型のカソードコンタクト層１１ａおよびｐ型のアノードコンタクト層１４ａを形成し、光吸収素子形成領域４１ではｎ型エピタキシャル層７内にｎ型のカソードコンタクト層１１ｂ、ｐ型のアノードコンタクト層１４ｂ、ｐ型のダミーアノード層３５をそれぞれ形成する。また、ＮＰＮトランジスタ形成領域４２ではｎ型のコレクタコンタクト層１７、ｐ型のベース層１９、ｎ型のエミッタ層２１等をそれぞれ形成する。
次に、光半導体装置の上面部に絶縁膜９を形成した後、カソードコンタクト層１１ａ上に第１のカソード電極１２を、アノードコンタクト層１４ａ上に第１のアノード電極１５を、カソードコンタクト層１１ｂ上に第２のカソード電極２３を、アノードコンタクト層１４ｂ上に第２のアノード電極２４を、ベース層１９上にベース電極２０を、エミッタ層２１上にエミッタ電極２２をそれぞれ形成する。以上のようにして本実施形態の光半導体装置を製造することができる。本実施形態の光半導体装置はアノード埋め込み層１３ａと同時に形成することができるため、従来の光半導体装置と同じ工程数で、同一の設備を用いて製造することが可能である。このため、上述の方法によれば、製造コストを増やすことなく高感度で低ノイズ特性を有し、高速動作が可能な光半導体装置を提供することが可能となる。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
図５は、第２の実施形態に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の光半導体装置は、第１の実施形態の光半導体装置のカソードコンタクト層１１ｂ上に表面吸収層３０を形成したものである。本実施形態の光半導体装置において、表面吸収層３０以外の構成は第１の実施形態と同じである。
表面吸収層３０は、入射光を吸収できる材料で構成されていればよく、例えば多結晶シリコンや非晶質シリコンなど、可視光に対する吸収係数が結晶シリコンよりも大きい材料で構成されていれば特に好ましい。多結晶シリコンや非晶質シリコンの可視光に対する吸収係数は結晶シリコンに比べて３〜１０倍程度大きいため、光吸収層が薄くても入射光が大きく吸収される。例えば、表面吸収層３０が非晶質シリコンで構成された場合、波長４０５ｎｍの青色光に対する吸収係数は７０μｍ−１（単結晶シリコンでは1０μｍ−１）であり、表面吸収層３０の膜厚が２０ｎｍの場合での入射光の吸収率は約７５％、膜厚が５０ｎｍの場合での吸収率は約９７％で、ほとんどの光が表面吸収層３０で吸収される。また、非晶質シリコンの波長６５０ｎｍの赤色光に対する吸収係数は１．５μｍ−１（単結晶シリコンでは０．３μｍ−１）であり、表面吸収層３０の膜厚が２００ｎｍの場合の入射光の吸収率は約２６％、膜厚が５００ｎｍの場合の吸収率は約５３％であり、かなりの割合の光を吸収することができる。ここで、光吸収素子４中にＰＮ接合を形成した場合、吸収光によって生成したキャリアは第２のカソード電極２３から吸い取られ、信号用の光電流としては寄与しない。表面吸収層３０を設けることで、同層を透過してカソードコンタクト層１１ｂや第２のｐ型埋め込み層２９に入る光の割合が減少するため、光吸収素子４での光の吸収効率が向上する。表面吸収層３０を設けない場合は、シリコン結晶の赤色光・赤外光に対する吸収係数が小さいため、ｎ型エピタキシャル層７の膜厚を厚くする必要がある。しかし、ｎ型エピタキシャル層７を厚くするとＮＰＮトランジスタ３におけるコレクタ抵抗が増大するため、ｎ型エピタキシャル層７をあまり厚くすることができない。これに対し、本実施形態の光半導体装置では、例えばｎ型の表面吸収層３０を設けることにより、ｎ型エピタキシャル層７を薄くしても吸収効率向上が確保でき、ノイズ特性の改善とトランジスタの高速化との両立が可能となる。また、表面吸収層３０の膜厚範囲は材料によって異なるが、例えば非晶質シリコンで構成する場合には、１００〜１０００ｎｍ程度にするのが好ましい。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
図６は、第３の実施形態に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の光半導体装置は、フォトダイオード２のうち光吸収素子４の近傍に位置する領域に、ｐ型エピタキシャル層６上に形成され、高濃度のｐ型不純物を含むアノード埋め込み層１３ｂと、アノード埋め込み層１３ｂ上に形成され、高濃度のｐ型不純物を含むアノードコンタクト層１４ｃと、アノードコンタクト層１４ｃ上に形成された第３のアノード電極３１とが設けられていることを特徴とする。これら以外の構成は、第１の実施形態に係る光半導体装置と同様である。また、図３は、第３の実施形態に係る光半導体装置を概略的に示す平面図である。
動作時には第１のカソード電極１２と第３のアノード電極３１との間に逆バイアスＶ１が印加され、第１のカソード電極１２と第１のアノード電極１５との間に逆バイアスＶ１が印加される。
本実施形態の光半導体装置では、第１の実施形態に係る光半導体装置と同様の効果が得られるのに加えて、アノード埋め込み層１３ｂとアノードコンタクト層１４ｃがフォトダイオード２の光吸収素子４側に形成されているため、アノード埋め込み層１３ｂを中心に電気力線が集中し、電位勾配が形成される。その結果、キャリアはアノード埋め込み層１３ｂに吸い込まれ、光吸収素子方向へのキャリアの移動を抑制され、受光感度の更なる向上が可能となる。
さらに、フォトダイオード２のうち光吸収素子４近傍の境界領域で発生したキャリアの走行距離が大幅に短縮されてドリフトによるキャリアの移動時間が短くなるので、フォトダイオード２の動作をさらに高速化することが可能となる。
また、本実施形態の光半導体装置において、アノード埋め込み層１３ｂはアノード埋め込み層１３ａと同時に形成でき、アノードコンタクト層１４ｃはアノードコンタクト層１４ａ、１４ｂと同時に形成でき、第３のアノード電極３１は他の電極と同時に形成できる。このため、第１の実施形態の光半導体装置と同じ工程数で製造することが可能である。
なお、以上で説明した各実施形態の光半導体装置では半導体基板としてシリコン基板を用いたが、例えば長波長域で広く用いられているゲルマニウム基板や、化合物半導体であってもよく、サファイア等の半導体以外の物質からなる基板を用いてもよい。
また本発明の光半導体装置では、受光素子としてｐｉｎフォトダイオードが用いられたが、アバランシェフォトダイオード、フォトトランジスタなどを用いてもよい。また、トランジスタとしてＮＰＮトランジスタを用いたが、ＰＮＰトランジスタやＭＯＳトランジスタについても適用可能であることは言うまでもない。
また、上述の実施形態では半導体基板および第１のｐ型埋め込み層５上のエピタキシャル層の導電型をｐ型としたが、ｎ型にしてもよい。この場合には、各層の導電型を全て反転させる。
以上で説明したように、本発明は、ＢＤプレーヤーやレコーダー等、ＯＥＩＣを利用する種々の装置の実現に有用である。
第１の実施形態に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光半導体装置を概略的に示す平面図である。 第３の実施形態に係る光半導体装置を概略的に示す平面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。 第２の実施形態に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。 第３の実施形態に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。 第１の従来例に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。 第２の従来例に係る光半導体装置の概略構成を示す断面図である。
符号の説明
１ 半導体基板
２ フォトダイオード
３ ＮＰＮトランジスタ
４ 光吸収素子
５ 第１のｐ型埋め込み層
６ ｐ型エピタキシャル層
７ ｎ型エピタキシャル層
８ ＬＯＣＯＳ分離層
９ 絶縁膜
１０ａ、１０ｂ カソード層
１１ａ、１１ｂ カソードコンタクト層
１２ 第１のカソード電極
１３ａ、１３ｂ アノード埋め込み層
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ アノードコンタクト層
１５ 第１のアノード電極
１６ コレクタ埋め込み層
１７ コレクタコンタクト層
１８ コレクタ電極
１９ ベース層
２０ ベース電極
２１ エミッタ層
２２ エミッタ電極
２３ 第２のカソード電極
２４ 第２のアノード電極
２９ 第２のｐ型埋め込み層
３０ 表面吸収層
３１ 第３のアノード電極
３２ 受光面
３５ ダミーアノード層
３８ 回路ブロック
４０ フォトダイオード形成領域
４１ 光吸収素子形成領域
４２ ＮＰＮトランジスタ形成領域

Claims (11)

  1. 半導体基板と、前記半導体基板上に形成された受光素子と、前記半導体基板上に形成され、前記受光素子に隣接して配置された光吸収素子と、前記半導体基板上に形成された信号処理用の半導体素子とを備えた光半導体装置であって、
    前記受光素子の光吸収領域の構成と前記光吸収素子の光吸収領域との構成が異なっている光半導体装置。
  2. 前記光吸収素子におけるＰＮ接合の位置は前記受光素子におけるＰＮ接合の位置よりも浅くなっ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。
  3. 前記半導体基板上に形成された第１導電型の第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層上に形成された第２導電型の第２の半導体層とをさらに備え、
    前記受光素子は、前記第１の半導体層の一部と、前記第２の半導体層の一部で構成され、前記第１の半導体層とＰＮ接合を形成する第３の半導体層と、前記第３の半導体層上に形成され、前記第３の半導体層よりも不純物濃度が高い第２導電型の第１のカソードコンタクト層と、前記第１の半導体層上に形成された第１導電型の第４の半導体層と、前記第４の半導体層上に形成された第１導電型の第１のアノードコンタクト層と、前記第１のカソードコンタクト層上に形成された第１のカソード電極と、前記第１のアノードコンタクト層上に形成された第１のアノード電極とを有しており、
    前記光吸収素子は、前記第１の半導体層の一部と、前記第１の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層よりも不純物濃度が高い第１導電型の第５の半導体層と、前記第２の半導体層の一部で構成され、前記第５の半導体層上にＰＮ接合された第２導電型の第６の半導体層と、前記第６の半導体層上に形成され、前記第６の半導体層よりも不純物濃度が高い第２導電型の第２のカソードコンタクト層と、前記第５の半導体層上に形成された第１導電型の第２のアノードコンタクト層と、前記第２のカソードコンタクト層上に形成された第２のカソード電極と、前記第２のアノードコンタクト層上に形成された第２のアノード電極とを有していることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
  4. 前記第５の半導体層の不純物濃度のピーク位置の深さが入射光の吸収長よりも深いことを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。
  5. 動作時には、前記第１のアノード電極と前記第１のカソード電極との間に逆バイアスが印加され、且つ前記第２のアノード電極と前記第２のカソード電極との間に逆バイアスが印加されることを特徴とする請求項３または４に記載の光半導体装置。
  6. 前記第２のアノード電極と前記第２のカソード電極との間に印加される逆バイアスは第１のアノード電極と前記第１のカソード電極との間に印加される逆バイアスと同一かまたは大きいことを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。
  7. 前記光吸収素子は、前記第２のカソードコンタクト上に設けられ、入射光を吸収する光吸収層をさらに有していることを特徴とする請求項３〜６のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
  8. 前記光吸収層は非晶質シリコンまたは多結晶シリコンで構成されていることを特徴とする請求項７に記載の光半導体装置。
  9. 前記受光素子は、前記第１の半導体層の上方であって、前記光吸収素子との境界領域に形成された第１導電型の第３のアノードコンタクト層と、前記第３のアノードコンタクト層上に形成された第３のアノード電極とをさらに有していることを特徴とする請求項３〜８のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
  10. 動作時には、前記第１のアノード電極と前記第１のカソード電極との間に逆バイアスが印加され、且つ前記第３のアノード電極と前記第１のカソード電極との間に逆バイアスが印加されることを特徴とする請求項９に記載の光半導体装置。
  11. 前記光吸収素子は、平面的に見て前記受光素子を囲んでいることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
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