JP2968440B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光通信において光を
高速で光電変換する半導体受光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体受光素子（以下、「フォト
ダイオード」または「素子」とも称する）の一例が、文
献：「光通信素子光学、−発光・受光素子−、ｐｐ．３
７１−３７３，ｐｐ．３４７−３５０，工学図書刊」に
記載されている。この半導体受光素子は、基本的にｐｎ
接合ダイオードにおける光起電力効果を利用してもので
あり、半導体受光素子の拡散領域の直下の光吸収層の空
乏層に、受光面から光を入射させて光電変換を行う。こ
のフォトダイオードの周波数応答特性である周波数帯域
を制限する遮断周波数は、素子のＣＲ時定数およびキャ
リア走行時間によって制限される。このＣＲ時定数は、
素子のｐｎ接合容量、電極容量その他の浮遊容量および
負荷抵抗等によって決まる。これらの容量を減少させて
ＣＲ時定数を小さくすることにより、素子の周波数応答
特性を向上させることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の半導
体受光素子では、素子の受光面の周囲の絶縁膜で覆われ
たウインド層にも、光が絶縁膜を透過して入射してしま
う。入射した光は迷光となって光吸収層の空乏層が形成
されていない領域に入射して少数のキャリアを発生させ
ることがある。発生したキャリアは、拡散領域直下の空
乏層に拡散するが、拡散速度が非常に遅いため、素子の
応答速度の劣化が生じてしまうことがあった。

【０００４】このため、従来、受光面の周囲の絶縁膜上
に、光を遮るために遮光金属膜を形成した素子が提案さ
れている。しかし、遮光金属膜を表面に形成すると、遮
光金属膜で反射された反射光が迷光となって、素子を装
備した装置全体に悪影響を与えるおそれがある。一方、
光を遮光するために、ウインド層上に直に遮光金属膜を
形成し、その遮光金属膜上に絶縁膜を形成する構造も考
えられる。しかし、遮光金属膜と拡散領域との短絡を防
ぐため、遮光金属膜と拡散領域端の間に空乏層幅以上の
ギャップを設ける必要がある。その結果、逆バイアス電
圧を印加して生じた空乏層が形成されていない光吸収層
へ光がこのギャップから入射してしまう。このため、光
吸収層での少数キャリアの発生を制御できなず、高速応
答の劣化が生じてしまう。

【０００５】そこで、これらの問題を解決するために、
この出願に係る発明の発明者は、特願平５−２６２８０
６号において、遮蔽膜積層体を具えた半導体受光素子を
提案している。この遮蔽膜積層体では、遮光金属膜の露
出することなく内部に含まれるように、絶縁膜と遮光金
属膜（金属膜）とを積層してある。この遮蔽膜積層体に
より、迷光を防ぎ、その結果、迷光による素子の応答特
性の劣化の抑制を図ることができる。

【０００６】しかしながら、この遮蔽膜積層体において
は、遮光金属膜を表面に露出させることなく設けてあ
り、かつ、拡散層との短絡を防ぐためにウインド層から
電気的に絶縁して設けてある。このため、遮光金属膜と
素子との間で浮遊容量が発生する。浮遊容量が発生する
と、素子全体の素子容量が増加することになる。素子容
量の増加は素子の応答速度の劣化を招く。

【０００７】このため、素子の応答速度を向上させた半
導体受光素子の実現が望まれていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体受光素
子によれば、第１導電型の基板の第１主表面に、第１導
電型の光吸収層および第１導電型のウインド層が順次に
形成されており、ウインド層の一部領域に、ウインド層
と光吸収層との境界に達する第２導電型の拡散領域を具
え、この拡散領域の周囲のウインド層上に遮蔽膜積層体
を具え、この拡散領域と電気的に接続した第１主電極を
具え、基板の第２主表面に第２主電極を具えてなる半導
体受光素子において、遮蔽膜積層体は、遮光金属膜と絶
縁膜とを積層して構成されており、この遮光金属膜は、
遮蔽膜積層体の内部に含まれ、かつ、ウインド層とオー
ミック電極を介して電気的に接続しており、このオーミ
ック電極は、拡散領域から、この拡散領域の周囲に形成
される空乏層の幅よりも離れた位置でウインド層と電気
的に接続してなることを特徴とする。

【０００９】

【作用】この発明の半導体受光素子によれば、ウインド
層上に、遮光金属膜を中間層として含む遮光膜積層体を
具えているので、この遮光膜積層体に入射する光の透過
率を小さくすることができる。その結果、迷光による素
子の応答特性の劣化を抑制することができる。さらに、
この発明の素子では、遮光金属膜をオーミック電極を介
してウインド層と電気的に接合していため、遮光金属膜
と素子との間に浮遊容量が生じない。その結果、素子容
量の増加を抑制することができるので、素子の応答速度
の向上を図ることができる。

【００１０】ところで、遮光金属膜とウインド層とを直
に接合すると、遮光金属膜はショトッキー電極となる。
このため、この接合部にショトッキーバリアが形成され
て接合容量が生じてしまう。接合容量により素子容量が
増加すると素子の応答特性が劣化してしまう。そこで、
この発明では、オーミック電極を介して遮光金属膜とウ
インド層とを電気的に接続することにより接合容量の発
生を抑制している。

【００１１】また、オーミック電極は、空乏層の幅より
も拡散層から離れた位置に設けてあるので、拡散領域と
の短絡が生じるおそれはない。また、オーミック電極が
空乏層の幅よりも拡散領域から離れていても、遮光金属
膜があるために、ギャップから光が入射して応答特性の
劣化が生じるおそれもない。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の半導体受
光素子の構造の一例について説明する。尚、図面は、こ
の発明が理解できる程度に概略的に示してあるに過ぎな
い。従って、この発明は、図示例にのみ限定されるもの
で無いことは明らかである。尚、図では断面を表すハッ
チングを一部省略して示してある。

【００１３】＜実施例＞図１は、この発明の半導体受光
素子の実施例の説明に関する図である。図は、ウインド
層を具えたプレーナ型フォトダイオードの要部断の面斜
視図である。図１では遮蔽積層体の詳しい構造を省略し
て示してある。

【００１４】この実施例の半導体受光素子では、第１導
電型の基板としてのｎ⁺ −ＩｎＰ基板１０の第１主表面
１０ａ上に、厚さ１．５〜２．０μｍのｎ^- −ＩｎＰの
バッファ層１２、厚さ１．５〜２．２μｍのｎ^- −Ｉｎ
ＧａＡｓの光吸収層１４および厚さ１．５μｍのｎ^- −
ＩｎＰのウインド層１６を順次に通常の結晶成長法によ
って積層してある。このウインド層１６の一部領域に
は、このウインド層１６と光吸収層１４との界面に達す
る第２導電型の拡散領域としてのｐ⁺ 拡散領域を具えて
いる。このｐ⁺ 拡散領域１８は、ウインド層に亜鉛（Ｚ
ｎ）またはカドミウム（Ｃｄ）を選択的に拡散させて形
成している。

【００１５】このｐ⁺ 拡散領域１８上の一部領域は、平
面パターンで見て円形状に反射防止膜２０が形成され、
受光面２２となっている。また、ｐ⁺ 拡散領域１８上の
非受光面の領域にはｐ側電極２６が形成されている。一
方、基板１０の第２主表面１０ｂにはｎ側電極２８が形
成されている。

【００１６】また、ｐ⁺ 拡散領域１８の周囲のウインド
層１６上には遮蔽膜積層体３０を設けてある。

【００１７】次に、この遮蔽膜積層体３０について説明
する。図２は、図１に示した半導体受光素子の要部（遮
蔽膜積層体３０付近）を拡大して示した断面図である。

【００１８】この遮蔽膜積層体３０は、チタン（Ｔｉ）
の遮光金属膜３２とＳｉ₃ Ｎ₄ 膜の絶縁膜３４とを積層
して構成されている。この絶縁膜３４は、上側絶縁膜３
４ａと下側絶縁膜３４ｂとを以って構成されている。ま
た、この遮光金属膜３２は、中間層として、上側絶縁膜
３４ａと下側側絶縁膜３４ｂとに挟まれており、表面に
露出することなく遮蔽膜積層体３０の内部に含まれてい
る。

【００１９】さらに、この遮光金属膜３２は、ウインド
層１６とオーミック電極３６を介して電気的に接続（コ
ンタクト）している。このオーミック電極３６は、ｐ⁺
拡散領域１８から、このｐ⁺ 拡散領域１８の周囲に形成
される空乏層（図示せず）の幅よりも離れた位置でウイ
ンド層１６と電気的に接続している。

【００２０】この実施例の遮蔽膜積層体３０で得られ
る、入射光に対する反射率および透過率は、それぞれ約
４０〜５０％および１％以下である。このため、ｐ側電
極２６およびｎ側電極２８間に逆バイアス電圧を印加し
て生じた空乏層が形成されていない光吸収層１４へ迷光
が入射することを抑制することができる。その結果、迷
光による少数キャリアの発生を抑制することができる。
このため、少数キャリアによる高速応答時の波形の遅れ
が生じないので、素子の高速応答が可能となり、従来の
遮光金属膜を絶縁膜の表面に設けた素子よりも周波数応
答特性を改善することができる。

【００２１】また、この遮蔽膜積層体３０においては、
遮光金属膜３２がオーミック電極３６を介してウインド
層１６とコンタクトされているので、遮光金属膜３２と
受光素子との間に浮遊容量が形成されない。このため、
素子容量が浮遊容量によって増加しないので、応答速度
の劣化が生じない。

【００２２】尚、この発明の半導体受光素子において
は、絶縁膜の厚さ（例えば、遮光金属膜上の絶縁膜の厚
さと、遮光金属膜とウインド層との間の絶縁膜の厚さ
と）を、それぞれλ／（４ｎ）（但し、λは入射光の波
長、ｎ絶縁膜の屈折率を表す）とすれば、遮蔽膜積層体
の光の透過率をより小さくすることができる。

【００２３】また、絶縁膜として、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜を用
い、遮光金属膜としてチタン（Ｔｉ）またはモリブデン
（Ｍｏ）を用いれば、遮光金属膜とＳｉ₃ Ｎ₄ 膜との密
着性が良好なので、遮光金属膜が剥離するおそれを少な
くすることができる。

【００２４】また、遮光金属膜の膜厚は、５００〜１０
００Å（５０〜１００ｎｍ）とすることが望ましい。こ
れは、膜厚が５００Å以上ならば、光の透過率を十分低
くすることができ、かつ、膜厚が１０００Å以下なら
ば、遮光金属膜が剥離するおそれが少ないからである。

【００２５】＜比較例１＞次に、比較例１として、ウイ
ンド層から電気的に絶縁された遮光金属膜を具えた遮蔽
膜積層体を有する半導体受光素子の例について説明す
る。図３は、比較例１の半導体受光素子の構造の説明に
供する要部断面図である。

【００２６】比較例１の半導体受光素子は、遮蔽膜積層
体４０を除いて上述した実施例の素子と同一の構造を有
する。比較例１の素子の遮蔽膜積層体４０は、チタン
（Ｔｉ）からなる遮蔽金属膜４２を中間層として具え、
この遮光金属膜４２の上下に絶縁膜４４としてそれぞれ
上側絶縁膜４４ａおよび下側絶縁膜４４ｂを具えてい
る。この遮光金属膜４２は、絶縁膜４４によって挟まれ
ているため、表面に露出することなく、かつ、ウインド
層１６から電気的に絶縁されている。その結果、迷光に
よる素子の応答特性の劣化を抑制することはできる。

【００２７】しかし、この素子構造では、遮光金属膜４
２と素子との間に浮遊容量が発生する。このため、遮光
金属膜４２を具えない場合に比べて１０〜２０％程素子
の容量が増加してしまう。

【００２８】この点、本発明の素子では、遮光金属膜３
２がウインド層１６とをオーミック電極３６を介してコ
ンタクトされているので、素子容量を増やすことなく迷
光の影響を抑制することができる。

【００２９】＜比較例２＞次に、比較例２として、ウイ
ンド層上に直に遮光金属膜を形成した遮蔽膜積層体を有
する半導体受光素子の例について説明する。図４は、比
較例２の半導体受光素子の構造の説明に供する要部断面
図である。

【００３０】比較例２の半導体受光素子は、遮蔽膜積層
体５０を除いて上述した実施例の素子と同一の構造を有
する。比較例２の素子の遮蔽膜積層体５０は、チタンか
らなる遮蔽金属膜５２をウインド層１６上に直に具え、
この遮光金属膜５２の上に絶縁膜５４を具えている。こ
の素子では、遮光金属膜５２とｐ⁺ 拡散領域１８との短
絡を防ぐために、遮光金属膜５２の端とｐ⁺ 拡散領域１
８の端との間に、空乏層の幅以上の距離（ギャップ）５
６を設ける必要がある。その結果、このギャップ５６か
ら入射した光が迷光によって発生した少数キャリアが、
素子の時間応答特性を劣化させる原因となる。

【００３１】この点、本発明の素子では、オーミック電
極３６はｐ⁺ 拡散領域１８から離れた位置でウインド層
１６とコンタクトしているが、遮光金属膜３２は、平面
パターンで見てｐ⁺ 拡散領域１８の近くまで設けてある
ので、ギャップから入射した迷光によって少数キャリア
が発生するおそれがない。従って、素子容量を増やすこ
となく迷光の影響を抑制することができる。

【００３２】上述した実施例では、この発明を特定の材
料を用い、特定の条件で構成した例について説明した
が、この発明は多くの変更および変形を行うことができ
る。例えば、上述した実施例では、遮光金属膜として、
チタン（Ｔｉ）を用いたが、この発明では、例えばタン
グステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）を用いても良
い。また、上述した実施例では、絶縁膜としてＳｉ₃ Ｎ
₄ 膜を用いたが、この発明では、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ 膜を
用いても良い。また、上述した実施例では、第１導電型
をｎ型、第２導電型をｐ型としたが、この発明では、第
１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としても良い。

【００３３】

【発明の効果】この発明の半導体受光素子によれば、ウ
インド層上に、遮光金属膜を中間層として含む遮光膜積
層体を具えているので、この遮光膜積層体に入射する光
の透過率を小さくすることができる。その結果、迷光に
よる素子の応答特性の劣化を抑制することができる。さ
らに、この発明の素子では、遮光金属膜をオーミック電
極を介してウインド層と電気的に接合していため、遮光
金属膜と素子との間に浮遊容量が生じない。その結果、
素子容量の増加を抑制することができるので、素子の応
答速度の向上を図ることができる。

【００３４】また、この発明の半導体受光素子は、光通
信、特に１μｍ帯波長領域の光を高速で光電変換するの
に用いて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の半導体受光素子の実施例の説明に供
する要部断面斜視図である。

【図２】図１の要部を拡大して示した断面図である。

【図３】比較例１の半導体受光素子の構造の説明に供す
る要部断面図である。

【図４】比較例２の半導体受光素子の構造の説明に供す
る要部断面図である。

【符号の説明】

１０：基板 １２：バッファ層 １４：光吸収層 １６：ウインド層 １８：ｐ⁺ 拡散領域 ２０：反射防止膜 ２２：受光面 ２６：ｐ側電極 ２８：ｎ側電極 ３０：遮蔽膜積層体 ３２：遮光金属膜 ３４：絶縁膜 ３４ａ：上側絶縁膜 ３４ｂ：下側絶縁膜 ３６：オーミック電極 ４０：遮蔽膜積層体 ４２：遮光金属膜 ４４：絶縁膜 ４４ａ：上側絶縁膜 ４４ｂ：下側絶縁膜 ５０：遮蔽膜積層体 ５２：遮光金属膜 ５４：絶縁膜 ５６：ギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−220782（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−310974（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−86176（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−222563（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−122773（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 31/10 - 31/119

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型の基板の第１主表面に、第１
   導電型の光吸収層および第１導電型のウインド層が順次
   に形成されており、前記ウインド層の一部領域に、前記
   ウインド層と前記光吸収層との境界に達する第２導電型
   の拡散領域を具え、該拡散領域の周囲の前記ウインド層
   上に遮蔽膜積層体を具え、該拡散領域と電気的に接続し
   た第１主電極を具え、前記基板の第２主表面に第２主電
   極を具えてなる半導体受光素子において、 前記遮蔽膜積層体は、遮光金属膜と絶縁膜とを積層して
   構成されており、 該遮光金属膜は、前記遮蔽膜積層体の内部に含まれ、か
   つ、前記ウインド層とオーミック電極を介して電気的に
   接続しており、 該オーミック電極は、前記拡散領域から、該拡散領域の
   周囲に形成される空乏層の幅よりも離れた位置で前記ウ
   インド層と電気的に接続してなることを特徴とする半導
   体受光素子。