JP4046995B2

JP4046995B2 - 光半導体装置

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Publication number: JP4046995B2
Application number: JP2001373150A
Authority: JP
Inventors: 正哲佐原; 高志鈴木; 仁井上
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: JP2003174188A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光半導体装置は特開平４−３６０８５４号公報に記載されている。この光半導体装置は、ＰＩＮ構造を有するホトダイオードと、このホトダイオードの高濃度Ｐ型層に物理的に接続された高濃度Ｐ型領域をその一部領域とするＰ型ベース領域、ホトダイオードの高濃度Ｎ型層に物理的に接続された高濃度Ｎ型領域をその一部領域とするＮ型コレクタ領域及びＰ型ベース領域内に形成されたＮ型エミッタ領域を有するＮＰＮトランジスタとを同一半導体基板上に形成してなる。
ホトダイオードがＮＰＮトランジスタのベース領域に接続されているので、ホトダイオードを介してベース領域に流れ込むベース電流によってＮＰＮトタンジスタのコレクタ領域とエミッタ領域との間を流れるコレクタ電流を制御したり、コレクタ電流を検出することによってホトダイオードに入射した光強度を測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、トランジスタのコレクタ領域とベース領域との間にはホトダイオードのＩ型層が介在しているため、I型層が全て空乏化した場合にはトランジスタ出力電流がコレクタ電圧依存性を伴なって変動する。また空乏化されず残ったＩ型層が存在した場合にはコレクタ抵抗の増大に伴ないトランジスタの飽和電圧が大きくなるという問題が生じる。
さらに、トランジスタのＩ型層を埋め込み拡散層のせり上がりで埋め尽す方法があるが、その場合Ｐ型ベース層の不純物プロファイルに影響してトランジスタの電流増幅率を制御するのが非常に困難であるという問題を有していた。
一方、コレクタ抵抗を下げるためＩ型層の不純物濃度を上げた場合には、フォトダイオードに関して空乏層が広がらないため接合容量が増加し、特に空乏化しない領域の電界が弱くフォトダイオードの応答速度が低下するという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、トランジスタのコレクタ電流の変動を抑制すると共に、そのトランジスタの飽和電圧を小さくし、更にフォトダイオードの低容量化と走行時定数低下により高速応答が可能な光半導体装置を提供することを目的とする。
【０００５】
上述の課題を解決するため、本発明に係る光半導体装置は、ＰＩＮ構造を有するホトダイオードと、ホトダイオードの高濃度Ｐ型層をアノードとしてこれに回路的及び物理的に接続された高濃度Ｐ型領域をその一部領域とするＰ型ベース領域、ホトダイオードの高濃度Ｎ型層をカソードとしてこれに回路的及び物理的に接続された高濃度Ｎ型領域をその一部領域とするＮ型コレクタ領域及びＰ型ベース領域内に形成されたＮ型エミッタ領域を有するＮＰＮトランジスタとを同一半導体基板上に形成してなる光半導体装置において、Ｎ型コレクタ領域は高濃度Ｎ型領域からＰ型ベース領域に到達するＮ型ウエル領域を備えていることを特徴とする。
【０００６】
なお、Ｉ型層とは狭義の真性半導体を意味するものではなく、１×１０¹⁵／ｃｍ³未満の比較的低濃度の不純物濃度を有する半導体を意味するものとする。Ｎ型の不純物であっても、Ｐ型の不純物であってもよい。
【０００７】
また、高濃度とは不純物濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以上のことを意味するものとする。
【０００８】
このようなＩ型層が、Ｎ型コレクタ領域の高濃度Ｎ型領域とＰ型ベース領域との間に介在している場合、上述のようにトランジスタの飽和電圧が増加する。本発明の装置においては、Ｎ型コレクタ領域は、高濃度Ｎ型領域からＰ型ベース領域に到達するＮ型ウエル領域を備えている。このＮ型ウエル領域の平均Ｎ型不純物濃度は１×１０¹⁵／ｃｍ³以上であることが好ましい。すなわち、Ｎ型ウエル領域は、Ｉ型層よりも不純物濃度が高い。
【０００９】
ホトダイオードに介在するＩ型層が完全空乏化するような逆バイアス電圧が印加された場合、トランジスタのＰ型ベース領域とＮ型コレクタ領域との間にも同じ逆バイアスが印加されることになるが、この場合でもＮ型ウエル領域は全域においては空乏化しない。逆バイアス電圧、即ちコレクタ電圧を更に増加した場合、Ｎウェル領域内の空乏層が僅かずつ広がることによりベース電位の変動が微小になり、電流増幅率の変動が抑えられて安定したコレクタ電流、即ち出力電流となる。
【００１０】
また、不純物濃度を上げて抵抗率が低下したＮ型ウェル領域にコレクタ電流が流れるため、トランジスタ飽和電圧の上昇が抑えられる。そのため、特に低電圧動作でコレクタ電流が低下する事がなくなる。
また、ホトダイオードに介在するＩ層の高い抵抗領域は、Ｎウェル層の導入によって飽和電圧やコレクタ変調のトランジスタへの影響がなくなるため、本来の真性半導体に近い大きな抵抗層に設定することができ、それによって更に低電圧動作や、ホトダイオードの低容量化、高速化を容易に実現できる。
【００１１】
また、Ｎ型エミッタ領域、Ｐ型ベース領域及びＮ型コレクタ領域は、半導体基板の同一面側にそれぞれの電極を備えることが好ましく、この場合には、同一面側から電極に容易にリード線を取り付けることができる。また、エミッタ領域に設けられるエミッタ電極はストライプ形状であって、コレクタ領域に設けられるコレクタ電極はエミッタ電極及びホトダイオードの光入射領域を囲む環状をなしていることが好ましい。
【００１２】
このような光半導体装置の製造方法は、▲１▼少なくとも表面側に高濃度Ｎ型層を有する半導体基板の上記表面上にＩ型層をエピタキシャル成長させる工程と、▲２▼Ｉ型層の表面側からＮ型ウエル領域形成予定領域内にＮ型不純物を添加しＮ型ウエル領域を形成する工程と、▲３▼Ｎ型ウエル領域内にＰ型の主ベース領域を形成する工程と、▲４▼Ｐ型の主ベース領域内にＮ型エミッタ領域を形成する工程と、▲５▼Ｉ型層及びＰ型の主ベース領域の表面側からＰ型不純物を添加することによってＩ型層及びＰ型の主ベース領域の表面側に高濃度Ｐ型層を形成する工程とを備え、Ｎ型ウエル領域は、添加されたＮ型不純物が高濃度Ｎ型層に到達するまで熱処理されることを特徴とする。
本製造方法によれば、表面側からＮ型不純物を添加することによってＮ型ウエル領域を作製することとしたので、これはコレクタ領域の一部として機能するが、この場合には、上述の効果に加えて、コレクタ領域の不純物濃度や分布を、これが埋め込み層である場合に比較して高精度に制御することができ、したがって、トランジスタの特性を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る光半導体装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は光半導体装置の概要を示す説明図である。この図は、各要素の接続を示すものであって、このような接続関係を有する光半導体装置であれば、様々な形状の光半導体装置を製造することができる。図２は図１に示した光半導体装置の回路図である。
【００１５】
この光半導体装置は、ホトダイオードＰＤとＮＰＮトランジスタＴＲとを同一半導体基板上に形成してなるものである。なお、図中の各要素はいずれも半導体からなるものであり、保護膜やパッシベーション膜等の記載は省略する。
【００１６】
ホトダイオードＰＤは、高濃度Ｐ型層ＰＤ_P、Ｉ型層ＰＤ_I及び高濃度Ｎ型層ＰＤ_Nを備えており、ＰＩＮ構造を有している。なお、高濃度Ｐ型層ＰＤ_P及び高濃度Ｎ型層ＰＤ_Nは、それぞれ、ホトダイオードにおけるアノード及びカソードを構成する。なお、Ｉ型層ＰＤ_Iとは狭義の真性半導体を意味するものではなく、１×１０¹⁵／ｃｍ³未満の不純物濃度を有する半導体を意味するものとする。このＩ型層ＰＤ_Iは、若干のＮ型の不純物又はＰ型の不純物が添加されているものとする。また、説明において、高濃度とは不純物濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以上のことを意味するものとする。
【００１７】
ＮＰＮトランジスタＴＲは、ホトダイオードＰＤの高濃度Ｐ型層ＰＤ_Pに物理的に接続された高濃度Ｐ型領域Ｂ１をその一部領域とするＰ型ベース領域Ｂ、ホトダイオードＰＤの高濃度Ｎ型層に物理的に接続された高濃度Ｎ型領域Ｃ１をその一部領域とするＮ型コレクタ領域及びＰ型ベース領域Ｂ内に形成されたＮ型エミッタ領域Ｅを有する。
【００１８】
ここで、Ｎ型コレクタ領域Ｃは高濃度Ｎ型領域Ｃ１からＰ型ベース領域Ｂに到達するＮ型ウエル領域ＣＷを備えている。このＮ型ウエル領域ＣＷの平均Ｎ型不純物濃度は１×１０¹⁵／ｃｍ³以上であることが好ましい。すなわち、Ｎ型ウエル領域ＣＷは、Ｉ型層ＰＤ_Iよりも不純物濃度が高い。
【００１９】
Ｉ型層ＰＤ_Iを完全空乏化するため、ホトダイオードＰＤに逆バイアスを印加した場合には、トランジスタＴＲのＰ型ベース領域ＢとＮ型コレクタ領域Ｃとの間には逆バイアスが印加されることになるが、この場合、Ｉ型層ＰＤ_Iの全域を空乏化した場合においても、Ｎ型ウエル領域ＣＷは全域においては空乏化しないことになる。
【００２０】
すなわち、Ｐ型ベース領域ＢとＮ型コレクタ領域Ｃとの間にはＩ型層ＰＤ_Iが介在していない。したがって、トランジスタＴＲの静特性としては、このようなＩ型層ＰＤ_Iによる抵抗が減少することとなり、コレクタ電流が増加する。
【００２１】
Ｎ型ウエル領域ＣＷがＩ型層ＰＤ_Iである場合には、Ｉ型層ＰＤ_Iへの光の入射に伴って発生したキャリアによる抵抗変化、基板電位変化によって、コレクタ及びベース領域の電位が影響を受ける。電位変化を考慮しない場合においても、コレクタ抵抗Ｒｃが変動する。
【００２２】
本装置においては、Ｎ型ウエル領域ＣＷはＩ型層ＰＤ_Iではないため、コレクタ領域Ｃ及びベース領域Ｂの電位やコレクタ抵抗Ｒｃが安定し、トランジスタＴＲのコレクタ電流Ｉｃの変動を抑制することができる。なお、コレクタ電流Ｉｃは、ベース電流Ｉｂの電流増幅率（ｈ_fe）倍であるが、ベース電流ＩｂはホトダイオードＰＤを流れる電流である。
【００２３】
また、Ｎ型エミッタ領域Ｅ、Ｐ型ベース領域Ｂ及びＮ型コレクタ領域Ｃは、半導体基板の同一面側に図示しないそれぞれの電極を備えており、この場合には、同一面側から電極にリード線を取り付けることができる。
【００２４】
次に、上述の光半導体装置の一例について製造方法と共に説明する。
【００２５】
図３はかかる光半導体装置を一部破断して示す光半導体装置の斜視図である。光半導体装置を構成する各半導体要素の導電型、不純物濃度及び厚みは以下の通りである。なお、半導体の材料はＳｉである。
【表１】

【表２】

なお、Ｎ型ウエル領域ＣＷは、基板に垂直な平面内において、環状を有する外側Ｎ型ウエル領域ＣＷ１と、Ｉ型層ＰＤ_Iを介在させて外側Ｎ型ウエル領域ＣＷ１の内側に位置する内側Ｎ型ウェル領域ＣＷ２からなる。外側Ｎ型ウエル領域ＣＷ１の表面側には、隣接素子との間の電気的隔離を行うアイソレーション或いはチャネルストッパとして機能する高濃度Ｐ型領域ＩＳ_Pが環状に形成されている。また、基板表面側のＮ型エミッタ領域E、Ｐ型ベース領域Bの表面側の一部を構成する高濃度P型領域B１及びＮ型コレクタ領域Cの表面側の一部を構成する高濃度N型領域C２上には、それぞれ、エミッタ電極、ベース電極及びコレクタ電極が設けられる。
【００２６】
この光半導体装置は以下の工程▲１▼〜▲５▼を順次実行することによって製造される。
▲１▼エピタキシャル成長工程
【００２７】
少なくとも表面側に高濃度Ｎ型層（ＰＤ_N：高濃度Ｎ型領域Ｃ１）を有する半導体基板を用意する。本例では、半導体基板自体が高濃度のＮ型基板であるとする（０．０１Ω・ｃｍ）。この半導体基板の表面上にＩ型層ＰＤ_Iをエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長層は、低電圧動作を前提とすると高抵抗化が必要で、エピ厚が厚くなるほどより高抵抗のエピタキシャル層に設定される。例えば、Ｉ層に１５μｍの厚みを構成する場合は、エピタキシャル層の比抵抗は５００Ω・ｃｍ以上の高抵抗になる。あるいはＩ層に２０μｍ以上の厚みを構成する場合は７００Ωｃｍ以上の高抵抗になる。このようにすれば低電圧でＩ層が完全に空乏層になり、ホトダイオードの低容量化と高速応答が可能になる。
▲２▼Ｎ型ウエル領域形成工程
【００２８】
Ｉ型層ＰＤ_Iの表面上にＮ型ウエル領域形成予定領域が露出したマスクを作製する。このマスクはホトレジストによって形成される。マスクをした状態で、Ｉ型層ＰＤ_Iの表面側からＮ型ウエル領域形成予定領域内にＮ型不純物を添加しＮ型ウエル領域ＣＷ（ＣＷ１，ＣＷ２）を形成する。不純物添加方法としては、拡散法やイオン注入法が挙げられる。
Ｎ型ウエル領域ＣＷは、添加されたＮ型不純物が高濃度Ｎ型層Ｃ１（ＰＤ_N）に到達するまで熱処理される。
▲３▼主ベース領域形成工程
【００２９】
Ｎ型ウエル領域ＣＷ内にＰ型の主ベース領域Ｂ２を形成する。Ｉ型層ＰＤ_I及びＮ型ウエル領域ＣＷの表面上に主ベース領域形成予定領域が露出したマスクを作製する。このマスクはホトレジストによって形成される。マスクをした状態で、Ｉ型層ＰＤ_I及びＮ型ウエル領域ＣＷの表面側から主ベース領域形成予定領域内にＰ型不純物を添加し主ベース領域Ｂ２を形成する。不純物添加方法としては、拡散法やイオン注入法が挙げられる。
▲４▼エミッタ領域形成工程
【００３０】
主ベース領域Ｂ２内にＮ型エミッタ領域を形成する。Ｉ型層ＰＤ_I、Ｎ型ウエル領域ＣＷ及び主ベース領域Ｂ２の表面上に、エミッタ領域形成予定領域が露出したマスクを作製する。このマスクはホトレジストによって形成される。マスクをした状態で、Ｉ型層ＰＤ_I、Ｎ型ウエル領域ＣＷ及び主ベース領域Ｂ２の表面側からエミッタ領域形成予定領域内にＮ型不純物を添加しエミッタ領域Ｅを形成する。不純物添加方法としては、拡散法やイオン注入法が挙げられる。
▲５▼高濃度Ｐ型層ＰＤ_P形成工程
【００３１】
Ｉ型層ＰＤ _Ｉ、Ｎ型ウエル領域ＣＷ、主ベース領域Ｂ２及びＮ型エミッタ領域Ｅの表面側からＰ型不純物を添加することによって、エミッタの外側の領域の表面側に高濃度Ｐ型層Ｂ１（ＰＤ_P）を形成する。Ｉ型層ＰＤ_I、Ｎ型ウエル領域ＣＷ、主ベース領域Ｂ２及びＮ型エミッタ領域Ｅの表面上に、高濃度Ｐ型層ＰＤ_P形成予定領域が露出したマスクを作製する。このマスクはホトレジストによって形成される。マスクをした状態で、これらの表面側から高濃度Ｐ型層ＰＤ_P形成予定領域内にＰ型不純物を添加し高濃度Ｐ型層Ｂ１（ＰＤ_P）を形成する。不純物添加方法としては、拡散法やイオン注入法が挙げられる。最後に、アイソレーションやパッシベーション、金属電極を設けることにより、光半導体装置が完成する。本製造方法によれば、表面側からＮ型不純物を添加することによってＮ型ウエル領域ＣＷを作製することとしたので、これはコレクタ領域の一部として機能するが、この場合には、上述の効果に加えて、コレクタ領域の不純物濃度や分布を、これが埋め込み層である場合に比較して高精度に制御することができ、したがって、トランジスタＴＲの特性を向上させることができる。
【００３２】
次に、上述の光半導体装置の利点について、比較例を用いて説明する。比較例に係る光半導体装置は、Ｎ型ウエル領域に代えてＮ型埋め込み層ＢＬを高濃度Ｎ型層Ｃ１との間に介在させたものである。
【００３３】
図４は図３に示した光半導体装置の部分縦断面図であり、図５は図４に示した深さ方向計測ラインｔ上の不純物濃度分布を示すグラフである。同様に、図６は比較例に係る光半導体装置の縦断面図であり、図７は図６に示した深さ方向計測ラインｔ上の不純物濃度分布を示すグラフである。なお、斜線部は空乏層を示す。
【００３４】
上記グラフに示されるように、実施形態に係るＮ型ウエル領域ＣＷの不純物濃度は、比較例のそれよりも高く、また、主ベース領域Ｂ２から基板側の高濃度Ｎ型層Ｃ１（ＰＤ_N）にまで到達している。そのため、フォトダイオード部分は、ＰＤＩの領域が全て空乏層になってもＮウェル領域にできるベース／コレクタ間の空乏層はごく狭い範囲に形成され、コレクタ電圧の変動に応じてその幅が僅かに変化する。そのため、ベース電位がコレクタ電圧の変動に依存することなく一定になる。また、Ｎウェル領域が比較例と比べて不純物濃度が高いためコレクタ抵抗が低くなる。
【００３５】
比較例においては、Ｉ型層ＰＤ_Iによる抵抗Ｒｃが大きいため、ホトダイオードＰＤを一部分空乏化した場合においてはコレクタ抵抗が大きくトランジスタ飽和電圧が大きくなる。また、コレクタ抵抗Ｒｃをなくすために空乏層がＢＬ領域まで達した場合には、空乏層がそれ以上変化できないためコレクタ電圧の増加に伴なってベース電位が上がり、電流増幅率が大きくなってコレクタ電流が変動する。更に、ＰＤ _Ｉを完全空乏化を想定すると、コレクタ抵抗の低下のために形成したＢＬ層が無い場合でもトランジスタのコレクタ抵抗Ｒｃは小さくなり、ＢＬ層の存在意義がなくなる。
【００３６】
実施形態においては、ホトダイオードＰＤを低電圧で完全空乏化でき、トランジスタＴＲ側の空乏層は、Ｎ型ウェル領域にベースとの接合部から２〜３μｍの深さしか広がらないため、トランジスタのコレクタ電圧依存性が小さいという利点がある。また、フォトダイオード部分のＰＤ _Ｉが完全空乏化されることによって比較例に比して電子の平均ドリフト速度は大きくなり、高速応答が可能になる。
【００３７】
また、実施形態の光半導体装置においては、コレクタ接合容量も小さくなる。抵抗の低下によってトランジスタの飽和電圧が小さくなり、大電流でも出力が低下しないため、ダイナミックレンジが広がる。更に、アーリー効果を受けにくくなるため、コレクタ及びエミッタ間電圧の依存性が低下するという利点もある。
【００３８】
また、トランジスタＴＲのエミッタ領域に設けられるエミッタ電極はストライプ形状であって、コレクタ電極はエミッタ電極及びホトダイオードＰＤの光入射領域を囲む環状のものが好ましい。このストライプの幅は、狭いほど高速化が達成される。コレクタ接合容量は本例の構造においては低減されているので、ストライプ化、すなわち、エミッタ電極（エミッタ領域Ｅ）における高濃度Ｎ型層を流れる電流の方向よりも、これと基板厚み方向の双方に垂直な方向の電極長を長くすることで、高速化が更に達成される。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光半導体装置によれば、同一基板上に形成されるトランジスタとホトダイオードにおいて、ホトダイオードの低容量化・高速化できる構造を持たせながらコレクタ電圧依存性を抑制すると共に、トランジスタの飽和電圧増加を抑制する事が可能になる。また、この製造方法によれば、トランジスタの特性を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光半導体装置の概要を示す説明図である。
【図２】図１に示した光半導体装置の回路図である。
【図３】光半導体装置を一部破断して示す光半導体装置の斜視図である。
【図４】図３に示した光半導体装置の部分縦断面図である。
【図５】図４に示した深さ方向計測ラインｔ上の不純物濃度分布を示すグラフである。
【図６】比較例に係る光半導体装置の縦断面図である。
【図７】図６に示した深さ方向計測ラインｔ上の不純物濃度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｅ…Ｎ型エミッタ領域、Ｂ…ベース領域、Ｃ…コレクタ領域、Ｂ１…高濃度Ｐ型層、Ｂ２…主ベース領域、Ｃ１…高濃度Ｎ型層、ＣＷ…Ｎ型ウエル領域、ＩＳ_P…Ｐ型領域、ＰＤ…ホトダイオード、ＰＤ_I…Ｉ型層、ＰＤ_N…高濃度Ｎ型層、ＰＤ_P…高濃度Ｐ型層、Ｒｃ…抵抗、ｔ…方向計測ライン、ＴＲ…トランジスタ。

Claims

ＰＩＮ構造を有するホトダイオードと、前記ホトダイオードの高濃度Ｐ型層をアノードとしてこれに回路的及び物理的に接続された高濃度Ｐ型領域をその一部領域とするＰ型ベース領域、前記ホトダイオードの高濃度Ｎ型層をカソードとしてこれに回路的及び物理的に接続された高濃度Ｎ型領域をその一部領域とするＮ型コレクタ領域及び前記Ｐ型ベース領域内に形成されたＮ型エミッタ領域を有するＮＰＮトランジスタとを同一半導体基板上に形成してなる光半導体装置において、
前記Ｎ型コレクタ領域は前記高濃度Ｎ型領域から前記Ｐ型ベース領域に到達するＮ型ウエル領域を備えていることを特徴とする光半導体装置。
前記Ｎ型ウエル領域の平均Ｎ型不純物濃度は１×１０¹⁵／ｃｍ³以上であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記Ｎ型エミッタ領域、前記Ｐ型ベース領域及び前記Ｎ型コレクタ領域は、前記半導体基板の同一面側にそれぞれの電極を備えることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記エミッタ領域に設けられるエミッタ電極はストライプ形状であって、前記コレクタ領域に設けられるコレクタ電極は前記エミッタ電極及び前記ホトダイオードの光入射領域を囲む環状をなしていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体装置。