JP2016225359A - Light receiving element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、受光素子に関する。 The present invention relates to a light receiving element.
特許文献1は、フォトダイオードアレイ素子を開示する。特許文献2は、受光素子アレイを開示する。この受光素子アレイは、受光素子間の漏れ電流を低減するための構成を備えている。特許文献3は、InGaAsフォトダイオード・アレイを開示する。このInGaAsフォトダイオード・アレイは、半導体メサを有するフォトダイオード配列を備えている。
Patent Document 1 discloses a photodiode array element. Patent Document 2 discloses a light receiving element array. This light receiving element array has a configuration for reducing the leakage current between the light receiving elements.
受光素子は、受光感度に係る光電流の生成に係る特性と、暗電流に係る特性とによって評価される。暗電流の一部は、受光素子のPN接合に係る空乏層において発生する。この空乏層では、光吸収により電子・ホール対も生成される。n型半導体を備える受光層内に設けられたp型半導体領域と該n型半導体とによって形成されるPN接合を有するプレーナー型受光素子では、光電流は、PN接合に係る空乏層内に入射した光の吸収から生成される。発明者の検討によれば、光電流は、空乏層内における光吸収だけでなく、空乏層の外側に入射した光の吸収からも生成される。光電流のうちの後者は、空乏層の外側の受光層(以下、「拡張領域」として参照する)における光吸収の電子・ホール対によって生成され、具体的には、p型半導体領域に到達したホール成分に対応する。拡張領域におけるホールの移動範囲は、該受光層におけるホールの拡散係数に関係している。この知見によれば、光電流量は、p型半導体領域に係るPN接合の空乏層におけるキャリア量と、拡張領域からのキャリア量とに関連する。 The light receiving element is evaluated by a characteristic related to generation of a photocurrent related to light reception sensitivity and a characteristic related to dark current. A part of the dark current is generated in the depletion layer related to the PN junction of the light receiving element. In this depletion layer, electron-hole pairs are also generated by light absorption. In a planar light-receiving element having a PN junction formed by a p-type semiconductor region provided in a light-receiving layer including an n-type semiconductor and the n-type semiconductor, photocurrent is incident on a depletion layer related to the PN junction. Generated from light absorption. According to the inventor's study, the photocurrent is generated not only from light absorption in the depletion layer but also from absorption of light incident on the outside of the depletion layer. The latter of the photocurrents is generated by light-absorbing electron-hole pairs in the light-receiving layer outside the depletion layer (hereinafter referred to as “extended region”), and specifically reaches the p-type semiconductor region. Corresponds to the Hall component. The range of movement of holes in the extended region is related to the diffusion coefficient of holes in the light receiving layer. According to this finding, the photoelectric flow rate is related to the carrier amount in the depletion layer of the PN junction related to the p-type semiconductor region and the carrier amount from the extended region.
本発明の一側面は、拡張領域を有効に利用してp側電極への光電流を収集できる受光素子を提供することを目的とする。 An object of one aspect of the present invention is to provide a light receiving element capable of collecting a photocurrent to a p-side electrode by effectively using an extended region.
本発明に係る受光素子は、基板と、前記基板上に積層された半導体積層と、前記半導体積層内に設けられた複数のp型半導体領域と、前記半導体積層上に設けられた一の電極と、を備え、前記複数のp型半導体領域は、前記半導体積層の上面から前記基板に向かって設けられ、前記半導体積層は、受光層を有し、前記半導体積層は、前記受光層と前記複数のp型半導体領域との境界に複数のPN接合を有し、前記複数のp型半導体領域が、前記一の電極に接続される。 A light receiving element according to the present invention includes a substrate, a semiconductor stack stacked on the substrate, a plurality of p-type semiconductor regions provided in the semiconductor stack, and one electrode provided on the semiconductor stack. The plurality of p-type semiconductor regions are provided from an upper surface of the semiconductor stack toward the substrate, the semiconductor stack includes a light receiving layer, and the semiconductor stack includes the light receiving layer and the plurality of semiconductor layers. A plurality of PN junctions are provided at a boundary with the p-type semiconductor region, and the plurality of p-type semiconductor regions are connected to the one electrode.
本発明によれば、拡張領域を有効に利用してp側電極への光電流を収集できる受光素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the light receiving element which can collect the photocurrent to the p side electrode effectively using an expansion area | region can be provided.
本発明に係る受光素子は、基板と、前記基板上に積層された半導体積層と、前記半導体積層内に設けられた複数のp型半導体領域と、前記半導体積層上に設けられた一の電極と、を備え、前記複数のp型半導体領域は、前記半導体積層の上面から前記基板に向かって設けられ、前記半導体積層は、受光層を有し、前記半導体積層は、前記受光層と前記複数のp型半導体領域との境界に複数のPN接合を有し、前記複数のp型半導体領域が、前記一の電極に接続される。 A light receiving element according to the present invention includes a substrate, a semiconductor stack stacked on the substrate, a plurality of p-type semiconductor regions provided in the semiconductor stack, and one electrode provided on the semiconductor stack. The plurality of p-type semiconductor regions are provided from an upper surface of the semiconductor stack toward the substrate, the semiconductor stack includes a light receiving layer, and the semiconductor stack includes the light receiving layer and the plurality of semiconductor layers. A plurality of PN junctions are provided at a boundary with the p-type semiconductor region, and the plurality of p-type semiconductor regions are connected to the one electrode.
この受光素子によれば、複数のp型半導体領域が半導体積層内に設けられると共に、これらのp型半導体領域が単一の電極に接続される。半導体積層内において、複数のp型半導体領域は互いから隔置されており、これ故に、p型半導体領域に係る複数のPN接合が半導体積層内に設けられる。これらのPN接合の外側の受光層内には、複数のp型半導体領域の配置に応じて一又は複数の拡張領域が規定される。該拡張領域における光吸収によって生成される電子・ホール対のうちのホールが、いずれかのp型半導体領域へ流れ込んで、複数のホール電流成分になる。単一の電極は、複数のホール電流成分から単一の光電流を生成する。 According to this light receiving element, a plurality of p-type semiconductor regions are provided in the semiconductor stack, and these p-type semiconductor regions are connected to a single electrode. In the semiconductor stack, the plurality of p-type semiconductor regions are spaced apart from each other, and therefore, a plurality of PN junctions related to the p-type semiconductor region are provided in the semiconductor stack. In the light receiving layer outside these PN junctions, one or a plurality of extension regions are defined according to the arrangement of the plurality of p-type semiconductor regions. Holes in the electron-hole pairs generated by light absorption in the extended region flow into any of the p-type semiconductor regions and become a plurality of hole current components. A single electrode generates a single photocurrent from multiple Hall current components.
既に説明したように、ホールの移動範囲は、該受光層におけるホールの拡散係数から見積もることができる。p型半導体領域のサイズが素子設計により変更可能であると共にp型半導体領域に係るPN接合のサイズも素子設計に依存することに比べると、ホールの拡散長は、素子設計により変更可能ではなく設計から独立している。したがって、複数のp型半導体領域に付随する拡張領域が、該p型半導体領域の配置により受光素子のために適切に設けられることによって、拡張領域からのホール成分が光電流に寄与できる。また、複数のp型半導体領域に付随する空乏層が、該p型半導体領域の配置によりこの受光素子のために適切に設けられることによって、空乏層に起因する暗電流が低減される。 As already described, the hole movement range can be estimated from the hole diffusion coefficient in the light receiving layer. Compared to the fact that the size of the p-type semiconductor region can be changed by the device design and the size of the PN junction in the p-type semiconductor region depends on the device design, the hole diffusion length is not changeable by the device design. Independent from. Accordingly, the extension region associated with the plurality of p-type semiconductor regions is appropriately provided for the light receiving element by the arrangement of the p-type semiconductor regions, so that the hole component from the extension region can contribute to the photocurrent. In addition, a depletion layer associated with a plurality of p-type semiconductor regions is appropriately provided for the light receiving element by the arrangement of the p-type semiconductor regions, thereby reducing dark current caused by the depletion layers.
上記の受光素子では、前記受光層が、タイプII型InGaAs/GaAsSb量子井戸構造を有してもよい。タイプII型のヘテロ障壁の界面でキャリアが拡散しやすいので、拡張領域から空乏層へのキャリアの拡散量が増大する。この受光素子によれば、空乏層への印加バイアス電圧が小さくなるので、暗電流がさらに低減する。 In the light receiving element, the light receiving layer may have a type II type InGaAs / GaAsSb quantum well structure. Since carriers easily diffuse at the interface of the type II hetero barrier, the amount of carriers diffused from the extended region to the depletion layer increases. According to this light receiving element, since the bias voltage applied to the depletion layer is reduced, the dark current is further reduced.
いくつかの実施形態に係る受光素子を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付する。 A light receiving element according to some embodiments will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、第1実施形態に係る受光素子を模式的に示す図である。図1の受光素子アレイ2は、一次元又は二次元の受光素子1の配列を含むことができる。図1の(a)部は、受光素子アレイ2の一部を示す平面図を示し、受光素子アレイ2は、本実施例では、9個の受光素子配列を示している。図1の(b)部は、図1の(a)部に示されるIb−Ib線に沿ってとられた断面図である。図1には直交座標系SRが描かれている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a light receiving element according to the first embodiment. The light receiving element array 2 in FIG. 1 can include an array of one-dimensional or two-dimensional light receiving elements 1. 1A is a plan view showing a part of the light receiving element array 2, and the light receiving element array 2 indicates nine light receiving element arrays in this embodiment. Part (b) of FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line Ib-Ib shown in part (a) of FIG. Cartesian coordinate system S R are depicted in Figure 1.
図1の(b)部に示されるように、受光素子1は、基板10と、基板10上に積層された半導体積層20とを備える。基板10は、例えば半導体基板であって、具体的にはn型InP基板であることができる。基板10のn型ドーパントは、例えばSnを含む。半導体積層20は、受光層21を有する。受光層21は、基板10上に設けられる。受光層21は、例えば、アンドープInGaAs層又はInGaAsP層、GaAsSb層、GaInNAs層を含む。受光層21の厚さは、例えば3.0μmである。
As shown in part (b) of FIG. 1, the light receiving element 1 includes a
受光素子1の半導体積層20は、一素子区画のエリア内に複数のp型半導体領域を有し、受光素子1は、例えば、互いから隔置された3つのp型半導体領域を含むことができる。図1の(b)部においては、理解の容易のために一素子区画のエリア内に含まれる3つのp型半導体領域が描かれており、該3つのp型半導体領域は、第1のp型半導体領域31、第2のp型半導体領域32、及び第3のp型半導体領域33として参照される。これらの第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33のp型ドーパントは、例えばZnを含む。このp型ドーパント濃度は、例えば5×1015cm−3〜1×1018cm−3程度である。受光素子1のp型半導体領域の数は、3つに限定されることなく、1より大きい数であることができる。受光素子1は、一のp電極24を備える。このp電極24は、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33に接続される。
The
受光素子1は、第1のp型半導体領域31、第2のp型半導体領域32、及び第3のp型半導体領域33を有しており、第1のp型半導体領域31、第2のp型半導体領域32、及び第3のp型半導体領域33は、半導体積層20の上面20Aから受光層21に至るように設けられる。図1の(b)部に示されるように、第1のp型半導体領域31、第2のp型半導体領域32、及び第3のp型半導体領域33は、半導体積層20の上面20Aから基板10に向かう方向に延在する。直交座標系SRにおいて、Z軸は第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33の延在方向を示す。半導体積層20では、受光層21と、第1のp型半導体領域31、第2のp型半導体領域32、及び第3のp型半導体領域33とが境界を成しており、半導体積層20は、該境界に複数のPN接合を有している。これらのPN接合は、それぞれ、第1のPN接合41、第2のPN接合42、及び第3のPN接合43として参照される。受光層21内では、第1のPN接合41、第2のPN接合42、及び第3のPN接合43は、それぞれ、第1の空乏層51、第2の空乏層52、及び第3の空乏層53を伴っている。第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33は、半導体積層20の上面20Aから規定される深さ34Hを持ち、その深さ34Hは、例えば1.5μmである。第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33は、概略的には側面及び底面から構成される。
The light receiving element 1 includes a first p-
図1の(b)部に示されるように、受光層21は、各素子区画内において第1のPN接合41の内側に第1領域40aを有する。同様に、受光層21は、第2領域40b及び第3領域40cを有しており、第2領域40b及び第3領域40cは、それぞれ第2のPN接合42及び第3のPN接合43の内側に位置する。また、受光層21は、第4領域40dを有する。第4領域40dは、素子区画に到達すると共に、第1、第2及び第3のPN接合41、42、43の外側に位置し、第1、第2及び第3のPN接合41、42、43の側面だけでなく底面に接して、第1、第2及び第3のPN接合41、42、43の一部を構成している。
As shown in FIG. 1B, the
第1、第2及び第3領域40a、40b、40cは、共にp型導電性を有する。また、第4領域40dは、n型導電性を有する。これらの各領域の名称と、各領域での少数キャリア濃度とをまとめると、以下の通りである。
各領域の名称、 キャリア名、キャリア濃度。
第1、第2及び第3領域、ホール、5×1015cm−3〜1×1018cm−3。
第4領域、 電子、 5×1014cm−3〜5×1015cm−3。
第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33にそれぞれ対応する第1、第2及び第3領域40a、40b、40cのキャリア濃度(ホール濃度)は、受光層21内の第4領域40dのキャリア濃度(電子濃度)に比べて大きい。これ故に、第1、第2及び第3の空乏層51、52、53は、バイアス電圧の印加に応答して、受光層21内に延びていくことができる。
The first, second and
Name of each area, carrier name, carrier concentration.
First, second and third regions, Hall, 5 × 10 15 cm -3 ~1 × 10 18 cm -3.
Fourth region, electrons, 5 × 10 14 cm -3 ~5 × 10 15 cm -3.
The carrier concentration (hole concentration) of the first, second, and
受光素子1では、第1のp型半導体領域31、第2のp型半導体領域32、及び第3のp型半導体領域33は、それぞれ、第1の拡張領域61、第2の拡張領域62、及び第3の拡張領域63を備えており、第1の拡張領域61、第2の拡張領域62、及び第3の拡張領域63は、第1の空乏層51、第2の空乏層52、及び第3の空乏層53の周りに位置する。図1の(b)部では、受光層21内の拡張領域と空乏層とが描かれている。第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63は、光吸収により電子・ホール対を生成でき、該ホールは、第1、第2及び第3の空乏層51、52、53に向けて移動する。具体的には、ホールは、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63における光吸収によって生成されて、また、拡散して、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33へ流れ込んで、それぞれのホール成分になる。第1のp型半導体領域31は、第1の空乏層51内において生成された第1キャリアと、第1の拡張領域61において生成された第2キャリアを受ける。第2キャリアは、ライフタイムに関連付けられる拡散長だけ移動できるので、第1のp型半導体領域31は、第1の空乏層51の外側の限定された受光層21からのキャリアを受ける。本実施例では、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63は、第1、第2及び第3の空乏層51、52、53とともに受光層21内に光吸収領域3を形成する。
In the light receiving element 1, the first p-
半導体積層20は、必要に応じて、受光層21の上に設けられた半導体層22を更に有する。半導体層22は、例えば、p型領域を形成した際にオーミック接触を形成できるInGaAs又はInPなどのn型III−V族化合物半導体を含む。半導体層22の電子密度は、例えば2×1016cm−3程度であることができる。半導体層22の厚さは、例えば1.0μmである。
The semiconductor stacked
図1の(b)部に示されるように、半導体積層20の上面20Aは、本実施例では、誘電体膜23によって覆われる。この誘電体膜23は、例えばSi系無機絶縁層を備え、より具体的には、例えばSiN膜、SiO2膜又はSiON膜からなる。本実施例では、誘電体膜23にはSiN膜が用いられる。SiN膜の厚さは、例えば300nmである。誘電体膜23は、複数の開口23Nを有する。この開口23Nに、p電極24が設けられる。p電極24は、例えば、Ti/Pt/Auを含む。本実施例では、一のp電極24が、3つのp型半導体領域、即ち、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33に、それぞれの開口23Nを介して接続される。p電極24の直径24Dは、例えば2μmである。
As shown in FIG. 1B, the
受光素子1では、基板10の裏面10Bに、反射防止膜25が設けられる。反射防止膜25は、例えば、SiO2膜又はSiON膜などを含み、この反射防止膜25の厚さは、例えば300nmである。反射防止膜25は、開口25Nを有しており、この開口25Nに、n電極26が設けられ、n電極26は、開口25Nを介して、基板10に接続される。n電極26は、例えば、Ti/Pt/Auを含む。半導体積層20は、必要に応じて、基板10と受光層21との間に、バッファー層を有することができる。バッファー層は、例えば、n型InPを含む。バッファー層のn型ドーパントは、例えばSiであり、ドーパント濃度は、例えば、1×1017cm−3である。バッファー層の厚さは、例えば0.5μmである。
In the light receiving element 1, an
受光素子1は、その裏面の全体が入射光を受ける裏面入射型構造を有し、本実施例では、光吸収領域3が光吸収を行う。光吸収領域3は、三次元的な形状を有するけれども、受光層21の厚さが一定であるので、光吸収領域3における光吸収を二次元平面(XY平面)によって簡便に説明できる。以下、光吸収領域3について二次元平面によって説明する。
The light receiving element 1 has a back incident type structure in which the entire back surface receives incident light, and in this embodiment, the
図2は、光吸収領域を構成するp型半導体領域に係る空乏層と拡張領域とを模式的に示す図である。図2は、図1の(b)部に示されるII−II線に沿ってとられた断面図である。この第1のp型半導体領域31は円形の断面を有し、これ故に、第1の空乏層51の外縁も円形断面を有する。図2に示された二次元モデルを参照して、第1のp型半導体領域31に係る第1の拡張領域61からの光電流成分と第1の空乏層51からの光電流成分との比を見積もる。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a depletion layer and an extension region related to the p-type semiconductor region constituting the light absorption region. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II shown in part (b) of FIG. The first p-
図2に示されるように、ホールの拡散長「RD」と、第1の空乏層51の外縁を規定する円の半径「RV」を用いて、第1の拡張領域61の外縁によって規定される円の半径はRD+RVとして表される。第1の空乏層51の面積は、π×RV 2として表され、また、第1の拡張領域61の面積は、第1の拡張領域61の外縁によって規定される円の面積から第1の空乏層51の面積を差し引いて、π×(RD+RV)2−π×RV 2として表される。
As shown in FIG. 2, defined by the outer edge of the
光電流の大きさが光吸収を行う領域の面積に比例すると仮定し、また、光入射が一様であると共に、電子・ホール対の生成が第1の拡張領域61及び第1の空乏層51において同じであると仮定する。そうすると、第1の空乏層51における光電流IVと、第1の拡張領域61における光電流IDとして表すとき、その比ID/IVは、第1の空乏層51の面積と、第1の拡張領域61の面積との比で表される。つまり、光電流IVに対する光電流IDの比ID/IVは、以下の式(1)により表される。
ID/IV=(π×(RD+RV)2−π×RV 2)/(π×RV 2)=(π×(RD+RV+RV)×(RD+RV−RV))/(π×RV 2)=(RD 2+2RD×RV)/RV 2=(RD/RV)2+2(RD/RV)=((RD/RV)+1)2−1 …(1)
受光素子1では、拡散長RDは、p型半導体領域及び空乏層のサイズから独立しているので、式(1)より、第1の空乏層51の半径RVを小さくして半径比RD/RVを大きくすると、比ID/IVは単調に増大することが分かる。第1のp型半導体領域31の半径を小さくすると、第1の空乏層51の半径RVが小さくなる。比ID/IVが増大すると、第1の拡張領域61から第1のp型半導体領域31へのホール成分の量が大きくなり、光電流において第1の拡張領域61からのホール成分の比率を、第1の空乏層51からのホール成分に対して大きくできる。
It is assumed that the magnitude of the photocurrent is proportional to the area of the light-absorbing region, the light incidence is uniform, and the generation of electron / hole pairs is the first
I D / I V = (π × (R D + R V ) 2 −π × R V 2 ) / (π × R V 2 ) = (π × (R D + R V + R V ) × (R D + R V -R V)) / ( π × R V 2) = (R D 2 + 2R D × R V) / R V 2 = (R D / R V) 2 +2 (R D / R V) = ((R D / R V ) +1) 2 −1 (1)
The light receiving element 1, the diffusion length R D, since independent of the size of the p-type semiconductor region and the depletion layer, the equation (1), the radius ratio radius R V by reducing the first depletion layer 51 R It can be seen that as D 1 / R V is increased, the ratio I D / I V increases monotonously. Reducing the radius of the first p-
図3は、3つのp型半導体領域を有する画素の一実施例を模式的に示す図である。図3は、図1の(b)部に示されるIII−III線に沿ってとられた断面図である。図3に示される例では、受光素子アレイの一区画として、四面形、例えば、正方形のエリアが、受光素子1のために割り当てられている。このエリアの一辺の長さは、例えば、30μmである。 FIG. 3 is a diagram schematically showing an embodiment of a pixel having three p-type semiconductor regions. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III shown in FIG. In the example shown in FIG. 3, a tetrahedral area, for example, a square area is allocated for the light receiving element 1 as one section of the light receiving element array. The length of one side of this area is, for example, 30 μm.
図3に示されるように、二次元平面によって光吸収領域3の一構造例を表すと、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33は、例えば、円形の二次元形状として描かれる。第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33は、二次元形状の直径34Dを有し、直径34Dは、例えば3μmである。
As shown in FIG. 3, when one structural example of the
受光素子1では、単純に第1のp型半導体領域31のサイズを小さくすることによる光電流の総量の単調な低下を避けるために、複数のp型半導体領域(例えば、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33)を一つの受光素子1に設けると共に、これらの第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33を単一のp電極24に接続する。第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33は互いから隔置されるので、これら第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33の配置に応じて、複数の拡張領域(例えば、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63)が受光素子1に提供されて、光電流の低下を補うことができる。
In the light receiving element 1, in order to avoid a monotonous decrease in the total amount of photocurrent due to simply reducing the size of the first p-
このような受光素子1の構造は、p型半導体領域のサイズを小さくすることに応じて、一画素として空乏層のサイズを縮小することを可能にする。暗電流の一部は空乏層において発生しているので、p型半導体領域のサイズを小さくすることは、結果的に、暗電流を発生する領域の低減になる。単一のp電極24に接続される複数のp型半導体領域(例えば、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33)を設けると共に、暗電流の観点から、これらのp型半導体領域(例えば、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33)は、該p型半導体領域に係る空乏層(例えば、第1、第2及び第3の空乏層51、52、53)が重なるように配置されることが好ましい。また、光電流の観点から、p型半導体領域の数及び配置は、p型半導体領域(例えば、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33)に係る拡張領域(例えば、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63)が重ならないように決定されることが好ましい。
Such a structure of the light receiving element 1 makes it possible to reduce the size of the depletion layer as one pixel in accordance with the reduction of the size of the p-type semiconductor region. Since part of the dark current is generated in the depletion layer, reducing the size of the p-type semiconductor region results in a reduction in the region that generates the dark current. A plurality of p-type semiconductor regions (for example, first, second, and third p-
より具体的には、イメージセンサは、受光素子1のアレイを構成する個々の受光素子1を備える。これ故に、全ての受光素子1のサイズは同じであって、そのサイズは、例えば数十マイクロメートル程度である。一の受光素子1の光電流は、その受光エリアに入射した光から生成される。このため、受光エリアの多くの部分が拡張領域として働くと共に受光素子1の暗電流が小さくなるように、複数のp型半導体領域(例えば、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33)を配置する。 More specifically, the image sensor includes individual light receiving elements 1 constituting an array of light receiving elements 1. Therefore, all the light receiving elements 1 have the same size, and the size is, for example, about several tens of micrometers. The photocurrent of one light receiving element 1 is generated from the light incident on the light receiving area. For this reason, a plurality of p-type semiconductor regions (for example, the first, second, and third p-type semiconductor regions 31) are formed so that many portions of the light receiving area serve as an extension region and the dark current of the light receiving element 1 is reduced. , 32, 33).
暗電流の低減と、光電流の増大とのためには、図3に示される例では、第1のp型半導体領域31と第2のp型半導体領域32との間隔L1、第2のp型半導体領域32と第3のp型半導体領域33との間隔L2、及び第3のp型半導体領域33と第1のp型半導体領域31との間隔L3を調整すればよい。暗電流の観点からは、空乏層が重なるように配置されることが好ましい。このとき間隔L1は、L1=4μm〜7μmであることができる。しかし、この間隔L1を選択した場合、光電流は減少することになる。一方、光電流の観点からは、拡張領域が重ならないように決定されることが好ましい。このときの間隔L1は、L1=17μm〜25μmであることができる。しかし、この間隔L1を選択した場合、空乏層も重ならないので暗電流も増加することになる。そこで、間隔L1としては、L1=7μm〜12μmとすることが好ましい。これにより、暗電流及び光電流の両方の特性について、実用上問題無いレベルでバランスした特性を得ることができる。発明者の見積もりによれば、本実施例における拡散長RDは、例えば4μmである。
In order to reduce the dark current and increase the photocurrent, in the example shown in FIG. 3, the distance L1 between the first p-
以下、具体例に基づいて、空乏層における光電流IVに対する拡張領域における光電流IDの比ID/IVを計算する。図3に示される例では、間隔L1、L2及びL3は、共に、例えば9μmであり、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33のための円の中心が正三角形の頂点に位置している。第1、第2及び第3の空乏層51、52、53は、それぞれ第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33の形状に合わせた円形として表される。第1、第2及び第3の空乏層51、52、53のサイズは、共に直径54Dを有しており、その直径54Dは、受光素子の動作中に印加される逆バイアス電圧(実用的には1ボルト)の印加において、例えば8μmである。第1、第2及び第3の空乏層51、52、53を合わせた面積を計算すると、この面積は、3×π×(8/2)2=151μm2である。
Hereinafter, based on a specific example, the ratio ID / IV of the photocurrent ID in the extended region to the photocurrent IV in the depletion layer is calculated. In the example shown in FIG. 3, the intervals L1, L2, and L3 are all 9 μm, for example, and the centers of the circles for the first, second, and third p-
第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63は、例えば、円形を有し、また、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63の外縁によって規定される円は、共に直径64Dを有する。この直径64Dは、空乏層の直径(8μm)と、その空乏層への拡散長(4μm×2=8μm)とを合わせて、例えば16μmである。この直径64Dを使って、2次元の光吸収領域3(つまり、拡張領域と空乏層とを合わせた領域)の面積を計算すると、この面積は、拡張領域同士の重なりを考慮しないとき、3×π×(16/2)2=603μm2となる。
The first, second, and
図3に示される例では、拡張領域同士が重なっており、光吸収領域3の面積を計算するためには、重なった領域が差し引かれる。第1の拡張領域61と第2の拡張領域62との重なりに注目すると、その重なり部分(第1重複部分)の面積は、29μm2である。第2の拡張領域62と第3の拡張領域63との第2重複部分の面積、及び、第3の拡張領域63と第1の拡張領域61との第3重複部分の面積は、第1重複部分の面積と同じであり、共に29μm2である。第1の拡張領域61、第2の拡張領域62及び第2の拡張領域62の3つの領域の重なり部分(第4重複部分)の面積は、5μm2である。
In the example shown in FIG. 3, the extension regions overlap each other, and the overlapped region is subtracted in order to calculate the area of the
第1の拡張領域61及び第2の拡張領域62の2つの領域に限った重なり部分の面積は、第1重複部分の面積から第4重複部分の面積を差し引くと求められ、この重なり部分(第5重複部分)の面積は、29μm2−5μm2=24μm2である。同様に、第2の拡張領域62と第3の拡張領域63との2つの領域に限った重なり部分の面積(第6重複部分)、及び、第3の拡張領域63及び第1の拡張領域61の2つの領域に限った重なり部分(第7重複部分)の面積は、共に24μm2である。図3に示される例において、拡張領域同士の重なりの面積、つまり、第4重複部分、第5重複部分、第6重複部分、及び第7重複部分の4つの領域の合計は、5μm2+3×24μm2=77μm2である。
The area of the overlapping portion limited to the two regions of the first
以上より、拡張領域同士の重なりを考慮して光吸収領域3の面積を計算すると、この面積は、603μm2−77μm2=526μm2である。この光吸収領域3の面積のうち、第1、第2及び第3の空乏層51、52、53を合わせた面積は、上述の通り、151μm2であるので、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63を合わせた面積は、光吸収領域3の面積から空乏層の面積を差し引いて、526μm2−151μm2=375μm2である。図3に示される受光素子1の例において、空乏層における光電流IVに対する拡張領域における光電流IDの比(ID/IV)1を計算すると、(ID/IV)1=(375μm2/151μm2)=2.5である。
From the above, when the area of the
図4は、単一のp型半導体領域を有する受光素子を模式的に示す図である。図4の(a)部は、受光素子アレイ2Qの平面図を示す。図4の(b)部は、図4の(a)部に示されるIVb−IVb線に沿ってとられた断面図である。本実施例では、受光素子アレイ2Qは、二次元の受光素子1Qの配列を含み、本実施例では、9個の受光素子配列を示している。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a light receiving element having a single p-type semiconductor region. Part (a) of FIG. 4 shows a plan view of the light
理解の容易のために、受光素子1Qは、図1の受光素子1と同じサイズの正方形のエリアに設けられ、また、半導体積層構造内に形成された単一のp型半導体領域30を有する。p型半導体領域30は、p電極24に接続される。
For easy understanding, the
図4の(b)部に示されるように、p型半導体領域30は、半導体積層20Qの上面20Aから基板10Qに向かって延在する。半導体積層20Qでは、p型半導体領域30は、受光層21Qに接合を成して、また、この接合は、PN接合40として参照される。このPN接合40に、空乏層50が、受光層21内に形成される。受光素子1Qでは、p型半導体領域30のp型ドーパント濃度は、例えば5×1016cm−3程度である。また、理解の容易のために、p型半導体領域30では、半導体積層20Qの上面20Aからの深さ30Hは、深さ34Hと同程度である。
As shown in part (b) of FIG. 4, the p-
受光素子1Qでは、受光層21Qは、第11領域40p及び第12領域40qを有する。第11領域40pは、PN接合40の内側に位置し、第12領域40qは、PN接合40の外側に位置する。第11領域40pは、p型導電性を有する。第12領域40qは、n型導電性を有する。第11領域40pでのホール濃度は、5×1016cm−3であり、第12領域40qでの電子濃度は、2×1015cm−3である。
In the
図5は、図4の(b)部に示されるV−V線に沿ってとられた断面図である。図5において、p型半導体領域30の断面形状は、直径18μmの円形を有し、PN接合40によって生じた空乏層50の直径50Dは、受光素子の動作中に印可される逆バイアス電圧、実用的には1ボルトにおいて、例えば23μmである。受光素子1Qでは、光吸収領域3Qにおける空乏層50の面積は、π×(23/2)2=415μm2である。
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV shown in FIG. 4B. In FIG. 5, the cross-sectional shape of the p-
受光素子1Qにおいても、拡張領域60が空乏層50の周りに形成され、本実施例では、拡散長RDは例えば4μmである。受光素子1Qでは、空乏層50の直径(23μm)と、その空乏層50への拡散長(4μm×2=8μm)とを合わせると、拡張領域60の直径60Dは、例えば31μmである。この直径60Dを使って、受光素子1Qの光吸収領域3Qの面積を計算すると、この面積は、π×(31/2)2=754μm2である。拡張領域60の面積は、空乏層50の面積を差し引いて求められ、754μm2−415μm2=339μm2である。受光素子1Qにおける比(ID/IV)1Qは、(ID/IV)1Q=(339μm2/415μm2)=0.82である。
Also in the
図1の受光素子1の第1、第2及び第3の空乏層51、52、53の面積の総和(151μm2)は、図4の受光素子1Qの空乏層50の面積(415μm2)に比べて小さい。しかし、式(1)から分かるように、図1の受光素子1では、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63の面積(375μm2)が、図4の受光素子1Qの拡張領域60の面積(339μm2)に比べて大きくなる。その結果、比(ID/IV)1Qが0.82であるのに対して、(ID/IV)1は2.5である。受光素子1では、第1、第2及び第3のp型半導体領域31、32、33の小さいサイズによる光電流の低下が、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63によって補われている。受光素子1は、拡張領域(例えば、第1、第2及び第3の拡張領域61、62、63)を利用してp電極24への光電流を収集している。
The total area (151 μm 2 ) of the first, second and third depletion layers 51, 52 and 53 of the light receiving element 1 in FIG. 1 is equal to the area (415 μm 2 ) of the
既に説明したように、光吸収領域における空乏層のサイズが大きくなるに従って、受光層内で発生する暗電流が徐々に増加する。キャリアの拡散長RDは、空乏層の大きさに関わらず一定なので、一の受光素子あたりの空乏層のサイズが小さくなるに従って、光吸収領域に占める拡張領域の割合が増大し、空乏層の割合が減少する。受光素子1の図3に示された断面における空乏層面積(151μm2)は、受光素子1Qの空乏層面積(415μm2)の36%である。この空乏層面積が36%に減少することに応じて、図1の受光素子1では、図4の受光素子1Qに比べて空乏層で発生する暗電流を低減することができる。
As already described, the dark current generated in the light receiving layer gradually increases as the size of the depletion layer in the light absorption region increases. Since the carrier diffusion length RD is constant regardless of the size of the depletion layer, as the size of the depletion layer per light receiving element decreases, the ratio of the extended region to the light absorption region increases. The rate decreases. Depletion area of cross-section shown in Figure 3 of the light receiving element 1 (151μm 2) is 36% of the depletion layer area of the
図6は、第1実施形態に係る受光素子の光電流及び暗電流と、p型半導体領域の面積との関係を示した図である。比較のために、図6には、図4の受光素子1Qの光電流及び暗電流と、p型半導体領域の面積との関係が合わせて示されている。光吸収領域3、3Qは、二次元平面で考察される。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the photocurrent and dark current of the light receiving element according to the first embodiment and the area of the p-type semiconductor region. For comparison, FIG. 6 also shows the relationship between the photocurrent and dark current of the
図6に示されるように、図4の受光素子1Qでは、光電流値は、p型半導体領域の面積が約20μm2における値、1.0×10−10Aから徐々に増大する一方で、光電流の増大量は、徐々に減少する。図4及び図5に示した受光素子1Qは、正方形を有し、p型半導体領域および拡張領域が円形を有する。そのため、円形の拡張領域60の縁が、正方形の4つの頂点に接する前に、正方形の4つの辺に接触する。受光素子1Qでは、光吸収領域3Qの直径3Dは、空乏層50による増加分(5μm)と拡張領域60による増加分(8μm)とを差し引くと求められる。光吸収領域3Qにおける正方形の4つの辺(長さ30μm)に接触又は交差したとき、p型半導体領域の直径30Dは、直径30D=30μm−(5μm+8μm)=17μmであり、p型半導体領域の面積は、π×(17/2)2=227μm2である。よって、p型半導体領域と受光素子との互いの形状の違いに起因して、p型半導体領域の面積が、例えば227μm2程度を超えるところから、p型半導体領域の面積の増大率が減少し、これに応じて、光電流の増大率も飽和する。
As shown in FIG. 6, in the light receiving element 1 </ b > Q of FIG. 4, the photocurrent value gradually increases from the value of 1.0 × 10 −10 A, where the area of the p-type semiconductor region is about 20 μm 2 , The amount of increase in photocurrent gradually decreases. 4 and 5 has a square shape, and the p-type semiconductor region and the extension region have a circular shape. Therefore, the edge of the
暗電流は、空乏層50のサイズに比例して増大し、この空乏層50の直径50Dは、拡散領域による増加分(8μm)を差し引くと求められる。光吸収領域3Qにおける正方形の4つの辺(長さ30μm)に接触又は交差したとき、空乏層50の直径50Dは、直径50D=30μm−8μm=22μmであり、空乏層50の面積は、π×(22/2)2=380μm2である。よって、空乏層面積が、例えば380μm2程度を超えるようになって初めて、空乏層面積の増大率が減少し、これに応じて、暗電流の増大率も飽和する。
The dark current increases in proportion to the size of the
図6における横軸のp型半導体領域の面積が20μm2のとき、図1の受光素子1と図4の受光素子1Qとにおける、暗電流の値、光電流の値、および暗電流に対する光電流の比率(暗電流/光電流)をまとめると、下記の通りである。
受光素子の名称、暗電流の値(A)、 光電流の値(A)、 暗電流/光電流。
図1の受光素子、1.8×10−12、 3×10−10、 6×10−3。
図4の受光素子、9×10−13、 1.3×10−10、 7×10−3。
二つの受光素子における暗電流/光電流を比較すると、図1の受光素子1に対応するモデルの暗電流/光電流の値が、図4の受光素子1Qに対応するモデルの暗電流/光電流の値に比べて減少している。図1の受光素子1に対応するモデルでは、図4の受光素子1Qに対応するモデルに比べて、一の受光素子あたりの空乏層の比率が小さいので、空乏層で発生する暗電流を低減できていることが示される。
When the area of the p-type semiconductor region on the horizontal axis in FIG. 6 is 20 μm 2 , the dark current value, the photocurrent value, and the photocurrent with respect to the dark current in the light receiving element 1 in FIG. 1 and the
Name of light receiving element, dark current value (A), photocurrent value (A), dark current / photocurrent.
The light receiving element of FIG. 1, 1.8 × 10 −12 , 3 × 10 −10 , 6 × 10 −3 .
The light receiving element of FIG. 4, 9 × 10 −13 , 1.3 × 10 −10 , 7 × 10 −3 .
Comparing the dark current / photocurrent in the two light receiving elements, the dark current / photocurrent value of the model corresponding to the light receiving element 1 in FIG. 1 is the dark current / photocurrent of the model corresponding to the
受光素子において、一実施例では、受光層21は、タイプII型InGaAs/GaAsSb量子井戸構造を有することができる。タイプII型のヘテロ障壁の界面でキャリアが拡散しやすいので、拡張領域から空乏層へのキャリアの拡散量が増大する。この受光素子は、空乏層への印加バイアス電圧を小さくできるので、暗電流をさらに低減することができる。受光層21は、アンドープInGaAs及びタイプII型InGaAs/GaAsSb量子井戸の他に、InGaAsP層、GaAsSb層、GaInNAs層を含むことができる。
In the light receiving element, in one embodiment, the
図7は、第1実施形態に係る受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図である。以下、受光素子1を作製する方法を概略的に説明する。この説明において、理解を容易にするために、可能な場合には、図1に示された受光素子1の構成物の参照符号を用いる。 FIG. 7 is a diagram schematically showing main steps in the method of manufacturing the light receiving element according to the first embodiment. Hereinafter, a method for producing the light receiving element 1 will be schematically described. In this description, for ease of understanding, reference numerals of components of the light receiving element 1 shown in FIG. 1 are used where possible.
第1工程では、基板10を準備する。基板10は、例えば、n型InPウエハであることができる。図7の(a)部に示されるように、基板10上に、半導体積層20の成長が行われる。この成長には、例えば、有機金属気相エピタキシャル(OMVPE)法、分子線エピタキシー(MBE)法が適用される。図7の(a)部に示されるように、基板10の面方位(100)の主面上に、半導体積層20の受光層21が成長される。受光層21は、アンドープInGaAs層を含む。受光層21の上に、半導体層22が成長される。半導体層22は、例えばn型InPを含む。第1工程では、必要に応じて、受光層21が成長される前に、基板10の主面上に、バッファー層を成長してもよい。
In the first step, the
第2工程では、図7の(b)部に示されるように、半導体層22上に誘電体膜23が成長される。誘電体膜23は、例えばSi系無機絶縁層を備え、より具体的には、例えばSiN膜、SiO2膜、及びSiON膜からなる。本実施例では、誘電体膜23にはSiN膜が用いられ、このSiN膜は、例えばプラズマCVD法によって形成される。SiN膜の厚さは、例えば500nmである。次に、例えばフォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、選択拡散用の開口23Nが誘電体膜23に形成される。開口23Nの数は、例えば、一素子区画あたり3つであることができ、また、円形状を有することができる。開口23Nの形状は、円形に限定されず、例えば正方形あるいは長方形などであることができる。開口23Nが円形状を有するとき、その直径23Dは、例えば3μmである。これらの工程により、半導体基板生産物が作製される。
In the second step, a
第3工程では、図7の(c)部に示されるように、p型半導体領域が形成される。p型半導体領域の形成は、例えば、赤リン、砒素及び亜鉛を用いた気相拡散法によって行なわれる。気相拡散法では、半導体基板生産物が石英管に封入されて真空下に置かれる。次いで、500℃で30分間の熱処理によってZnが拡散されて、p型半導体領域が形成される。p型半導体領域は、半導体積層20の上面20Aから基板10に向かって延在し、受光層21に到達する。p型半導体領域の深さ30Hは、半導体積層20の上面20Aから、例えば1.5μmであることができる。
In the third step, a p-type semiconductor region is formed as shown in part (c) of FIG. The p-type semiconductor region is formed by, for example, a vapor phase diffusion method using red phosphorus, arsenic, and zinc. In the vapor phase diffusion method, a semiconductor substrate product is enclosed in a quartz tube and placed under vacuum. Next, Zn is diffused by a heat treatment at 500 ° C. for 30 minutes to form a p-type semiconductor region. The p-type semiconductor region extends from the
第4工程では、図7の(d)部に示されるように、電極及び反射防止膜の形成が行われる。p型半導体領域に接続されるp電極24が形成される。次いで、基板10の裏面10Bの研磨、及び反射防止膜25とn電極26との形成が行われる。具体的に、これらの工程を説明する。フォトリソグラフィー技術と蒸着を用いたリフトオフプロセスとによってp電極24が形成される。半導体基板生産物の誘電体膜23の上に、p電極24のためのレジストマスクが作成され、この後に半導体基板生産物の全面にp電極24のための金属膜が真空蒸着炉にて蒸着される。その後に、レジストマスクを用いたリフトオフによりp電極24が形成される。基板10の裏面10Bを鏡面研磨すると共に、反射防止膜25及びn電極26が形成される。研磨後の基板10の厚さは、例えば350μmである。反射防止膜25は、例えば、SiO2膜又はSiON膜などを含み、この反射防止膜25の厚さは、例えば300nmである。反射防止膜25には、チップ毎に開口25Nが設けられ、この開口25Nに、n電極26が、リフトオフプロセスにより形成される。p電極24及びn電極26の材料は、例えばTi/Pt/Auであることができる。これらの工程により、受光素子1のための基板生産物が作製される。基板生産物がダイシング及び/又はヘキ開によって分割されて、受光素子1を含む受光素子アレイ2の作製が作製される。
In the fourth step, as shown in FIG. 7D, the electrodes and the antireflection film are formed. A p-
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
本実施形態によれば、拡張領域を有効に利用してp側電極への光電流を収集できる受光素子を提供することができる。 According to the present embodiment, it is possible to provide a light receiving element that can collect the photocurrent to the p-side electrode by effectively using the extension region.
1…受光素子、10…基板、20…半導体積層、21…受光層、24…p電極、31…第1のp型半導体領域、32…第2のp型半導体領域、33…第3のp型半導体領域、41…第1のPN接合、42…第2のPN接合、43…第3のPN接合。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light receiving element, 10 ... Board | substrate, 20 ... Semiconductor laminated layer, 21 ... Light receiving layer, 24 ... P electrode, 31 ... 1st p-type semiconductor region, 32 ... 2nd p-type semiconductor region, 33 ... 3rd p Type semiconductor region, 41 ... first PN junction, 42 ... second PN junction, 43 ... third PN junction.
Claims (2)
前記基板上に積層された半導体積層と、
前記半導体積層内に設けられた複数のp型半導体領域と、
前記半導体積層上に設けられた一の電極と、
を備え、
前記複数のp型半導体領域は、前記半導体積層の上面から前記基板に向かって設けられ、
前記半導体積層は、受光層を有し、
前記半導体積層は、前記受光層と前記複数のp型半導体領域との境界に複数のPN接合を有し、
前記複数のp型半導体領域が、前記一の電極に接続される、受光素子。 A substrate,
A semiconductor stack stacked on the substrate;
A plurality of p-type semiconductor regions provided in the semiconductor stack;
One electrode provided on the semiconductor stack;
With
The plurality of p-type semiconductor regions are provided from the upper surface of the semiconductor stack toward the substrate,
The semiconductor stack has a light receiving layer,
The semiconductor stack has a plurality of PN junctions at the boundary between the light receiving layer and the plurality of p-type semiconductor regions,
A light receiving element in which the plurality of p-type semiconductor regions are connected to the one electrode.
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- 2015-05-27 JP JP2015107577A patent/JP2016225359A/en active Pending
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