JP4058034B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は光半導体装置に関し、特に受光素子と能動素子とが同一の基板上に形成された光半導体装置に関する。

光半導体装置には、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（Opto-Electronic Integrated Circuit：ＯＥＩＣ）装置があり、光信号を電気信号へ変換する機能として各種の光センサ装置や光ディスク用の光ピックアップ装置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装置は、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は、赤外光を用いるＣＤ（Compact Disc）用、赤色光を用いるＤＶＤ（Digital Versatile Disc）用に加え、近年、青色光を用いる高密度ＤＶＤ用の３タイプがあり、それぞれの光源の光波長に対して、１つの光ピックアップ装置で３タイプの光源信号を検出できる装置が要望されている。すなわち、従来の赤外光及び赤色光の受光感度と高速応答とを維持しながら、さらに青色光に対する受光感度と高速応答とが要望されている。

以下、従来例として、フォトダイオード素子とバイポーラトランジスタ素子とがモノリシックに形成されたＯＥＩＣ装置の説明をする（例えば、特許文献１を参照。）。

図３はバイポーラトランジスタであるＮＰＮトランジスタ及びアノードコモン型フォトダイオードとが同一の基板上に形成されてなるＯＥＩＣ装置の断面構成を示している。

図３に示すように、比抵抗が１５０Ωｃｍの低不純物濃度のＰ型シリコン（Ｓｉ）よりなる半導体基板１０１の上には高濃度半導体層よりなるＰ⁺ 型半導体領域１０２が成膜されて形成され、Ｐ⁺ 型半導体領域１０２の上には、該Ｐ⁺ 型半導体領域１０２よりも不純物濃度が低いＰ^- 型半導体領域１０３が形成され、Ｐ^- 型半導体領域１０３の上には、該Ｐ^- 型半導体領域１０３よりも不純物濃度が高いＮ型半導体領域１０４が形成されている。

Ｐ⁺ 型半導体領域１０２における不純物濃度のピーク位置は、Ｎ型半導体領域１０４の上面から約１０μｍに設定されている。Ｎ型半導体領域１０４の厚さは分離絶縁層１０５の厚さと同等かそれ以下に設定されている。例えば、分離絶縁層１０５の厚さが１μｍの場合は、Ｎ型半導体領域１０４の厚さは１μｍ以下に設定される。

Ｐ^- 型半導体領域１０３及びＮ型半導体領域１０４には、受光素子部１００とトランジスタ部２００とが形成されている。受光素子部１００におけるＮ型半導体領域１０４の最上部には、Ｎ型半導体領域１０４よりも不純物濃度が高いＮ⁺ 型半導体領域１０６が形成されている。ここで、Ｎ⁺ 型半導体領域１０６の厚さは０．１５μｍかそれ以下である。

受光素子部１００のカソードは、Ｎ⁺ 型半導体領域１０６の周辺部に形成されるカソードコンタクト領域１０７、Ｎ型多結晶半導体層１０８及びカソード電極１０９により構成される。受光素子部１００のアノードは、受光素子部１００の周辺部に形成されたＰ⁺ 型埋め込み領域１１０、アノードコンタクト領域１１１、Ｐ型多結晶半導体層１１２及びアノード電極１１３により構成される。

これに対し、ＮＰＮバイポーラトランジスタからなるトランジスタ部２００は、Ｎ型半導体領域１０４の内部であって、分離絶縁膜１０５とＰ⁺ 型埋め込み領域１１０とにより素子分離されて形成されている。トランジスタ部２００のコレクタは、埋め込みコレクタ領域１１４、コレクタコンタクト領域１１５、Ｎ型多結晶半導体層１０８及びコレクタ電極１１６により構成される。ベース部は、活性ベース領域１１７、コンタクトベース領域１１８、Ｐ型多結晶半導体層１１２及びベース電極１２０により構成される。エミッタ部は、エミッタ領域１１９、Ｎ型多結晶半導体層１０８及びエミッタ電極１２１により構成される。

以上のように構成された従来の半導体装置の動作について、図３、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。

まず、受光素子部１００に入射された入射光は、Ｎ⁺ 型半導体領域１０６の表面に照射される。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、Ｎ⁺ 型半導体領域１０６とＮ型半導体領域１０４とにより生成されたキャリヤは、Ｎ型半導体領域１０４とＮ⁺ 型半導体領域１０６との濃度差によるポテンシャル勾配ａにより加速されて、Ｎ⁺ 型半導体領域１０６からＮ型半導体領域１０４のフラット領域ｃを再結合により消滅されずに移動する。移動したキャリヤは、Ｐ^- 型半導体領域１０３に到達する。Ｐ^- 型半導体領域１０３においては、受光素子部１００のカソード電極１０９にあらかじめ逆バイアス電圧が印加されているため、受光素子部１００の周辺部に位置するＰ⁺ 型埋め込み領域１１０に囲まれたＰ^- 型半導体領域１０３からＰ⁺ 型半導体領域１０２に至る領域にまで空乏層が形成されている。従って、Ｐ^- 型半導体領域１０３に到達したキャリヤは、空乏層内をドリフト電流として高速に移動するので、受光素子部１００は高速な応答が可能となる。

また、半導体基板１０１に到達した入射光は、半導体基板１０１にキャリヤを生成し、生成されたキャリヤは拡散により任意の方向に移動する。その移動速度は、拡散によるため遅く且つその一部は再結合により消滅する。再結合により消滅されなかったキャリヤは、Ｐ⁺ 型半導体領域１０２の近辺にまで到達するが、Ｐ⁺ 型半導体領域１０２と半導体基板１０１との不純物の濃度差によるポテンシャル障壁が存在するため電流寄与となるＰ⁺ 型半導体領域１０２及びＰ^- 型半導体領域１０３までは到達できずに再結合して消滅する。従って、拡散により移動するキャリヤを消滅させることができるので、より高速な応答が可能となる。

しかしながら、本従来例の場合は、Ｎ型半導体領域１０４の厚さが１μｍ以下と薄いため、高速応答が可能な縦型ＰＮＰトランジスタ（ＶＰＮＰ−Ｔｒ）を形成することができず、ＯＥＩＣ装置としてのトランジスタ素子がＮＰＮトランジスタに制約されてしまうという問題がある。なぜなら、図３に示すように、トランジスタ部２００を構成するＮＰＮバイポーラトランジスタの場合は、埋め込みコレクタ領域１１４はＮ型であるが、これをＰ型のコレクタ領域に変更しようとすると、Ｐ^- 型半導体領域１０３との間に分離用のＮ型埋め込み層を設ける必要があるからである。
特開平９−２１９５３４号公報

そこで、参考例として、図５に前記の従来例にＶＰＮＰ−Ｔｒを形成した場合のＯＥＩＣ装置の断面構成を示す。図５に示すように、本参考例は、ＶＰＮＰ−Ｔｒを第２のトランジスタ部２２０として形成している。ここでは、第２のトランジスタ部２２０におけるＰ^- 型半導体領域１０３にＮ型埋め込み層１３０を形成し、その上のＮ型半導体領域１０４にはＰ型埋め込みコレクタ領域１３１を形成している。また、Ｎ型半導体領域１０４の厚さは、Ｐ型埋め込みコレクタ領域１３１を確保するために約２μｍに設定している。

第２のトランジスタ部２２０のコレクタは、Ｐ型埋め込みコレクタ領域１３１、コレクタコンタクト領域１３２、Ｎ型多結晶半導体層１０８及びコレクタ電極１３３により構成される。ベースは、活性ベース領域１３４、コンタクトベース領域１３５、第２多結晶半導体層１１２、ベース電極１３６により構成される。エミッタは、エミッタ領域１３７、Ｎ型多結晶半導体層１０８及びエミッタ電極１３８により構成される。このように、図５に示す構成により、第２のトランジスタ部２２０としてＶＰＮＰ−Ｔｒの形成が可能である。

前述したように、光ピックアップ装置は、赤外光を用いるＣＤ用及び赤色光を用いるＤＶＤ用に加え、青色光を用いた高密度ＤＶＤ用の３タイプがあり、青色光に対する受光感度と高速応答とが望まれる。３タイプのそれぞれの波長に対する半導体への光吸収量は入射光の波長に依存し、特定の波長光の吸収係数αを持つ入射光に対する入射面からの深さｔに対する半導体の吸収量は、１−ｅ^-α^t （但し、ｅは自然対数の底である。）で示される。例えば、シリコン半導体に対する光吸収量が約９０％となる入射光面からの深さは、波長が７８０ｎｍの赤外光で約２４μｍとなり、波長が６５０ｎｍの赤色光で約７．７μｍとなり、波長が４０７ｎｍの青色光で約０．６μｍとなる。また、受光特性は、光の波長に依存する光吸収量を、光電流に寄与するキャリヤに効率良く取り出せる構造が受光感度と応答速度との向上につながる。

ところで、ＯＥＩＣ装置においては、半導体集積回路の高周波化から高速応答が可能なＶＰＮＰ−Ｔｒを搭載することが近年では必要である。

しかしながら、前記従来のＯＥＩＣ装置は、Ｎ型半導体領域１０４の厚さが、青色光を受光対象とする場合には１μｍ以下となってしまい、ＶＰＮＰ−ＴｒにおけるＰ型埋め込みコレクタ領域１３１を形成する領域をＮ型半導体領域１０４に確保することが困難となっている。

また、図５に示した参考例の場合には、Ｎ型半導体領域１０４の厚さを１μｍ以上とすると、図６（ｂ）に示すように、電子に対するポテンシャル勾配が平坦なフラット領域ｄが支配的となるため、該フラットな領域ｄを移動するキャリヤの移動距離が長くなるので、Ｐ^- 型半導体領域１０３とＮ型半導体領域１０４とにより発生する空乏層までの到達時間が長くなり、その結果、応答速度が低下してしまうという問題が生じる。また、キャリヤの走行距離が長くなると、再結合量が増えるので受光感度が低下することにもなる。

従って、従来例に係る構成及び参考例に係る構成から分かるように、ＶＰＮＰ−Ｔｒの搭載と受光素子の動作特性とはトレードオフの関係にある。

また、他の問題点として、図４（ｂ）に示すように、従来例に係る光半導体装置に設けられたＰ^- 型半導体領域１０３において、Ｐ⁺ 型埋め込み領域１１０とＰ⁺ 型半導体領域１０２との間に発生する低濃度層ｅに起因するシリーズ抵抗による抵抗値が大きいため、受光素子部１００における周波数特性が劣化する。従来例においては、このシリーズ抵抗の低減を図るために、Ｐ⁺ 型埋め込み領域１１０の幅を比較的に大きくなるようにパターン化している。しかしながら、これでは受光素子部１００の周辺領域が大きくなってしまうため、チップ面積を縮小できないという問題をも生じる。

本発明は、前記従来の問題を解決し、光半導体装置の受光素子における動作特性（受光感度及び高速応答性）を維持しながら、ＮＰＮトランジスタ及び縦型ＰＮＰトランジスタを搭載できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、光半導体装置における受光領域が形成される表面（受光面）側の半導体層の内部に、該半導体層よりも不純物濃度が高い半導体領域を形成する構成とする。

具体的に、本発明に係る光半導体装置は、第１導電型の半導体基板の上に形成された第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上に形成され、受光領域を有する第２導電型の第２半導体層とを備え、第１半導体層は、第１導電型の第１領域と、該第１領域の上に形成され第１領域よりも不純物濃度が低い第１導電型の第２領域とを有し、第２半導体層は、不純物濃度が第２領域と同等かそれよりも高い第２導電型の不純物を含む第３領域と、該第３領域の内部に形成され第３領域よりも不純物濃度が高い第２導電型の第４領域とを有していることを特徴とする。

本発明の光半導体装置によると、第２導電型の第３領域の不純物濃度を第１導電型の第２領域と同等かそれよりも高く設定することにより、第２領域の空乏層の広がりを減ずることなく、第３領域に空乏層を広げることができるため、従来と比べて低容量化が可能となるので、周波数特性の向上を図ることができる。その上、第３領域及び第４領域を有し受光素子の受光領域を構成する第２導電型の第２半導体層のうち、第４領域は、第３領域の内部に形成され第３領域よりも不純物濃度が高いため、第３領域内に形成されるポテンシャルのフラット部（図６（ｂ）の符号ｄ）を減少させることができるので、第３領域における周波数特性の向上を図ることができる。従って、本発明の光半導体装置は、第３領域及びその内部に形成された第４領域により、第３領域の厚さを拡大することが可能となるので、受光素子の特性を劣化させることなく、縦型ＰＮＰトランジスタ（ＶＰＮＰ−Ｔｒ）形成することができるようになる。

本発明の光半導体装置において、第４領域における不純物濃度のピーク位置は、第３領域の上面から０．３μｍ以上且つ０．７μｍ以下の領域にあることが好ましい。

本発明の光半導体装置において、第４領域は、第３領域の上面から０．３μｍ以上且つ０．７μｍ以下の範囲に形成されていることが好ましい。

本発明の半導体装置において、第４領域における不純物濃度のピーク値は、第３領域の不純物濃度と比べて１０^３ 倍以上高いことが好ましい。

本発明の光半導体装置において、第３領域の不純物濃度は、第２領域の不純物濃度と同等以上且つ１０倍以下であることが好ましい。

本発明の光半導体装置において、第２半導体層は、受光領域の周辺部に第４領域と接続されて形成され、第３領域よりも不純物濃度が高い第２導電型の第５領域を有していることが好ましい。

本発明の光半導体装置において、第１領域の不純物濃度は、半導体基板の不純物濃度と比べて１０^３ 倍以上高いことが好ましい。

本発明の光半導体装置は、第２半導体層に該第２半導体層の表面から第１半導体層に達するように形成された素子分離絶縁層により区画されてなるトランジスタ領域をさらに備えていることが好ましい。

この場合に、トランジスタ領域は、第２領域の上部に形成された第２導電型の不純物を含む素子分離領域と、素子分離領域の上で且つ第３領域の内部に形成された第１導電型のコレクタ領域と、コレクタ領域の上部に形成された第２導電型のベース領域と、ベース領域の内側に形成された第１導電型のエミッタ領域とを有していることが好ましい。

本発明に係る光半導体装置によると、受光素子の光感度に寄与する受光領域を有する半導体層に低不純物濃度部と高不純物濃度部とを選択的に形成して、急峻な不純物濃度差によるポテンシャル勾配と実効空乏領域とを十分に確保することにより、バイポーラトランジスタ、特に縦型ＰＮＰトランジスタの特性を低下させることなく、光吸収長の短い光に対しても受光素子の周波数特性及び光感度の向上と低容量化とを実現することができる。

本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係る光半導体装置の一例であって、フォトダイオード、ＮＰＮバイポーラトランジスタ及び縦型ＰＮＰトランジスタを１つの基板上に形成されたＯＥＩＣ装置の模式的な断面構成を示している。

図１に示すように、例えば比抵抗が１００Ωｃｍ〜２００Ωｃｍ程度の低不純物濃度のＰ型シリコン（Ｓｉ）よりなる半導体基板１の上部には、例えば、厚さが約１０μｍで不純物濃度が約１×１０¹⁸ｃｍ^-3の高濃度の半導体層よりなるＰ⁺ 型半導体領域２がイオン注入により形成されている。Ｐ⁺ 型半導体領域２の上には、厚さが約５μｍで不純物濃度がＰ⁺ 型半導体領域２よりも低い例えば約１×１０¹⁴ｃｍ^-3のＰ^- 型半導体領域３と、厚さが約２μｍで不純物濃度が約１×１０¹⁵ｃｍ^-3のＮ型半導体領域４とがエピタキシャル成長により順次形成されている。

このように形成されたエピタキシャル基板の主面は、受光素子部１００、第１のトランジスタ部２００及び第２のトランジスタ部２２０に区画されている。受光素子部１００、第１のトランジスタ部２００及び第２のトランジスタ部２２０のそれぞれの素子は、局所的に酸化されてなるいわゆるＬＯＣＯＳとして、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）よりなる分離絶縁層５が形成されている。また、分離絶縁層５の下側であって、Ｎ型半導体領域４からＰ^- 型半導体領域３の上部にまで達する不純物が高濃度に導入されたＰ⁺ 型埋め込み領域１０が形成されている。また、Ｎ型半導体領域４の上の各電極を除く領域には、パッシべーション膜として例えば酸化シリコン等からなる保護絶縁膜２３が形成されている。

本実施形態の特徴として、Ｎ型半導体領域４の受光素子部１００に含まれる領域には、Ｎ型半導体領域４の上面から例えば０．５μｍの深さに厚さが約０．３μｍで不純物濃度が約１×１０¹⁹ｃｍ^-3の高濃度のＮ⁺ 型半導体領域６を選択的に形成している。但し、Ｎ⁺ 型半導体領域６の不純物濃度はこれに限られず、約１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の濃度であれば好ましい。

受光素子部１００の周縁部におけるＮ型半導体領域４の上には、Ｎ型の不純物が高濃度に導入された第１の多結晶半導体層８が形成され、該第１の多結晶半導体層８からの不純物拡散によりカソードコンタクト層７が形成されている。また、第１の多結晶半導体層８の上にはカソード電極９が形成されている。

受光素子部１００の周縁部におけるＰ^- 型半導体領域３及びＮ型半導体領域４には、高濃度のＰ⁺ 型埋め込み領域１０が形成されている。Ｎ型半導体領域４上におけるＰ⁺ 型埋め込み領域１０の上方にはＰ型の高濃度不純物が導入された第２の多結晶半導体層１２が形成され、該第２の多結晶半導体層１２からの不純物拡散によりＮ型半導体領域４にＰ型のアノードコンタクト層１１が形成されている。また、第２の多結晶半導体層１２の上にはアノード電極１３が形成されて、フォトダイオードが構成される。

ところで、入射光が赤色レーザ光である場合には、９５％以上の光吸収が必要であるとするなら、Ｐ⁺ 型半導体領域２における不純物濃度のピーク位置は、Ｎ型半導体領域４の表面から約１０μｍ以上の深さとなる。なお、受光動作における光の吸収量は、最小で吸収長（吸収係数の逆数）以上の膜厚となるように設定する。

また、入射光により半導体基板１の内部に発生したキャリヤの拡散移動による光電流を半導体基板１の不純物濃度とＰ⁺ 型半導体領域２の不純物濃度との濃度差によって防止できるポテンシャル勾配は、その濃度差を３桁以上、すなわち１０³ 倍以上である。

Ｎ型半導体領域４の厚さは、第２のトランジスタ部にＶＰＮＰ−Ｔｒが形成可能なように２μｍ以上とする。また、Ｎ型半導体領域４の不純物濃度は、Ｐ^- 型半導体領域３における空乏層を確保するために該Ｐ^- 型半導体領域３と同等以上で且つ１０倍以下とする。

Ｎ⁺ 型半導体領域６における不純物のピーク濃度は、前述したように、Ｎ型半導体領域４に対して３桁以上、すなわち１０³ 倍以上の濃度勾配を形成する。この形成された濃度勾配によって、Ｎ型半導体領域４の内部にはポテンシャル勾配が形成され、形成されたポテンシャル勾配により、キャリヤの移動速度を向上できる濃度設定としている。半導体領域６の不純物濃度のピーク位置は、Ｎ型半導体領域４の上面から０．３μｍ以上且つ０．７μｍ以下とし、より好ましくは０．４μｍ以下とする。

また、半導体領域６の濃度プロファイルの幅は、０．３μｍ以上且つ０．７μｍ以下とし、より好ましくはピーク濃度位置からＮ型半導体領域４の不純物濃度となるまでの片方の幅（厚さ）を０．１５μｍ以下とする。

次に、第１のトランジスタ部２００及び第２のトランジスタ部２２０を説明する。

まず、第１のトランジスタ部２００は、ＮＰＮバイポーラトランジスタであって、Ｎ型コレクタ部とＰ型ベース部とＮ型エミッタ部とからなる。

さらに、Ｎ型コレクタ部は、第１のトランジスタ部２００における素子分離としてのＰ⁺ 型埋め込み領域１０の間に形成され、高不純物濃度を有するＮ型埋め込みコレクタ領域１４と、該Ｎ型埋め込みコレクタ領域１４の上に選択的に形成されたＮ型の第１の多結晶半導体層８と、該第１の多結晶半導体層８からの不純物拡散により形成されたＮ型コレクタコンタクト領域１５と、第１の多結晶半導体層８の上に形成されたコレクタ電極１６とにより構成されている。

Ｐ型ベース部は、Ｎ型埋め込みコレクタ領域１４の上側で且つＮ型半導体領域４の上部に選択的に形成されたＰ型活性ベース領域１７と、Ｎ型半導体領域４の上で且つＰ型活性ベース領域１７の周辺部に形成され、Ｐ型の不純物が高濃度に導入されたＰ型の第２の多結晶半導体層１２と、該第２の多結晶半導体層１２からの不純物拡散によりＮ型半導体領域４の上部に形成されたＰ型ベースコンタクト領域１８と、第２の多結晶半導体層１２の上に形成されたベース電極２０とにより構成されている。

Ｎ型エミッタ部は、Ｐ型活性ベース領域１７の上にＮ型の不純物が高濃度に導入されて形成されたＮ型の第３の多結晶半導体層２２と、該第３の多結晶半導体層２２からの不純物拡散によってＰ型活性ベース領域１７の内側に形成されたＮ型エミッタ領域１９と、第３の多結晶半導体層２２の上に形成されたエミッタ電極２１とにより構成されている。

次に、第２のトランジスタ部２２０は、縦型ＰＮＰバイポーラトランジスタ（ＶＰＮＰ−Ｔｒ）であって、Ｐ型コレクタ部とＮ型ベース部とＰ型エミッタ部とからなる。

さらに、Ｐ型コレクタ部は、第２のトランジスタ部２２０における素子分離としてのＰ⁺ 型埋め込み領域１０の間に形成され、高不純物濃度を有するＮ⁺ 型埋め込み層３０と、該Ｎ⁺ 型埋め込み層３０の内側に形成されたＰ型埋め込みコレクタ領域３１と、該Ｐ型埋め込みコレクタ領域３１の上に選択的に形成されたＰ型の第２の多結晶半導体層１２と、該第２の多結晶半導体層１２からの不純物拡散によりＮ型半導体領域４の上部に形成されたＰ型コレクタコンタクト領域３２と、第２の多結晶半導体層１２の上に形成されたコレクタ電極３３とにより構成されている。なお、本実施形態においては、前述したように、Ｐ型埋め込みコレクタ領域３１を確保するために、該Ｐ型埋め込みコレクタ領域３１の厚さを２μｍ以上に設定する必要がある。

Ｎ型ベース部は、Ｐ型埋め込みコレクタ領域３１の内側に選択的に形成されたＮ型活性ベース領域３４と、Ｎ型半導体領域４の上で且つＮ型活性ベース領域３４の周辺部に形成されたＮ型の第１の多結晶半導体層８と、該第１の多結晶半導体層８からの不純物拡散によりＮ型半導体領域４の上部に形成されたＮ型ベースコンタクト領域３５と、第１の多結晶半導体層８の上に形成されたベース電極３６とにより構成されている。

Ｐ型エミッタ部は、Ｎ型活性ベース領域３４の上にＰ型の不純物が高濃度に導入されて形成されたＰ型の第４の多結晶半導体層２４と、該第４の多結晶半導体層２４からの不純物拡散によってＮ型活性ベース領域３４の内側に形成されたＰ型エミッタ領域３７と、第４の多結晶半導体層２４の上に形成されたエミッタ電極３８とにより構成されている。

以下、前記のように構成された本実施形態に係る光半導体装置の動作について、図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて説明する。

本実施形態においては、受光素子部１００において、図２（ａ）に示すように、Ｎ型半導体領域４の厚さを、第２のトランジスタ部２２０にＶＰＮＰ−Ｔｒを形成可能な厚さに設定し、さらに、不純物濃度がＮ型半導体領域４よりも３桁（１０^３ 倍）以上高いＮ^＋ 型半導体領域６をその濃度のピークがＮ型半導体領域４の上面から０．３μｍ以上で且つ０．７μｍ以下の位置となるように形成している。これにより、図２（ｂ）に示すように、Ｎ型半導体領域４の下部に生じる電子のポテンシャルにおけるフラット部ｆの平坦部分を減少させることが可能となるため、Ｎ型半導体領域４における周波数特性の向上を図ることができる。

さらに、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｎ型半導体領域４における受光部の表面領域ｂの不純物濃度が低下することにより、Ｎ型半導体領域４の表面近傍におけるキャリヤの再結合効果が減少するので、受光感度の向上をも図ることができる。

従って、本実施形態に係る光半導体装置においては、入射光を受けるＮ型半導体領域４の内部に、それよりも濃度が高いＮ⁺ 型半導体領域６を設けることにより、Ｎ型半導体領域４の厚さを拡大することが可能となるため、受光素子の動作特性（受光感度及び高速応答性）を劣化させることなく、ＶＰＮＰ−Ｔｒの形成が可能となる。

ところで、従来例に係る光半導体装置は、図３に示したように、受光領域に入射した光により発生した光電流は、Ｐ^- 型半導体領域１０３を経由してＰ⁺ 型埋め込み領域１１０からＮ型半導体領域１０４の表面に吸い上げられる。このとき、Ｐ⁺ 型埋め込み領域１１０とＰ⁺ 型半導体領域１０２との間に位置するＰ^- 型半導体領域１０３による低不純物濃度層によって高抵抗のシリーズ抵抗領域ｅが発生することから、受光素子の周波数特性が劣化する。

しかしながら、本実施形態においては、Ｎ型半導体領域４の厚膜化が可能であることから、受光領域を形成するＮ型半導体領域４の表面からＰ^- 型半導体領域３の下部の濃度で受光特性を規定しているため、Ｐ^- 型半導体領域３の厚さを薄くすることができる。その結果、Ｐ⁺ 型埋め込み領域１０とＰ⁺ 型半導体領域２との間の距離を小さくできるため、シリーズ抵抗が低減して受光素子の周波数特性が向上する。さらに、従来例と比べてシリーズ抵抗を小さくすることができるため、受光領域の周辺部に設けられるＰ⁺ 型埋め込み領域１０の面積を小さくすることができるので、受光素子自体の面積を低減することが可能となり、チップ面積を縮小することができる。

以上説明したように、本実施形態によると、高速応答性と３タイプの光源波長に対して高い受光感度を有する受光素子、ＮＰＮ−Ｔｒ及びＶＰＮＰ−Ｔｒを１つのチップに混載可能な光半導体装置を実現することができる。

産業上の利用の可能性

本発明は、バイポーラトランジスタ、特に縦型ＰＮＰトランジスタの特性を低下させることなく、光吸収長の短い光に対しても受光素子の周波数特性及び光感度の向上と低容量化とを実現することができるという効果を有し、受光素子と能動素子とが同一の基板上に形成された光半導体装置等に有用である。

本発明の一実施形態に係る光半導体装置を示す模式的な構成断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る光半導体装置の材料特性を示し、（ａ）は各半導体領域における不純物濃度のプロファイルを示すグラフであり、（ｂ）は各半導体領域におけるエネルギーバンド図である。 従来例に係る光半導体装置を示す模式的な構成断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は従来例に係る光半導体装置の材料特性を示し、（ａ）は各半導体領域における不純物濃度のプロファイルを示すグラフであり、（ｂ）は各半導体領域におけるエネルギーバンド図である。 参考例に係る光半導体装置を示す模式的な構成断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は参考例に係る光半導体装置の材料特性を示し、（ａ）は各半導体領域における不純物濃度のプロファイルを示すグラフであり、（ｂ）は各半導体領域におけるエネルギーバンド図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ Ｐ⁺ 型半導体領域（第１領域）
３ Ｐ^- 型半導体領域（第２領域）
４ Ｎ型半導体領域（第３領域）
５ 分離絶縁層
６ Ｎ⁺ 型半導体領域（第４領域）
７ カソードコンタクト層
８ 第１の多結晶半導体層
９ カソード電極
１０ Ｐ⁺ 型埋め込み領域
１１ アノードコンタクト層
１２ 第２の多結晶半導体層
１３ アノード電極
１４ Ｎ型埋め込みコレクタ領域
１５ Ｎ型コレクタコンタクト領域
１６ コレクタ電極
１７ Ｐ型活性ベース領域
１８ Ｐ型ベースコンタクト領域
１９ Ｎ型エミッタ領域
２０ ベース電極
２１ エミッタ電極
２２ 第３の多結晶半導体層
２３ 保護絶縁膜
２４ 第４の多結晶半導体層
３０ Ｎ⁺ 型埋め込み層
３１ Ｐ型埋め込みコレクタ領域
３２ Ｐ型コレクタコンタクト領域
３３ コレクタ電極
３４ Ｎ型活性ベース領域
３５ Ｎ型ベースコンタクト領域
３６ ベース電極
３７ Ｐ型エミッタ領域
３８ エミッタ電極
１００ 受光素子部
２００ 第１のトランジスタ部
２２０ 第２のトランジスタ部

Claims (8)

1. 第１導電型の半導体基板の上に形成された第１導電型の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に形成され、受光領域を有する第２導電型の第２半導体層とを備え、
   前記第１半導体層は、第１導電型の第１領域と、該第１領域の上に形成され前記第１領域よりも不純物濃度が低い第１導電型の第２領域とを有し、
   前記第２半導体層は、不純物濃度が前記第２領域と同等かそれよりも高い第２導電型の不純物を含む第３領域と、該第３領域の内部に形成され前記第３領域よりも不純物濃度が高い第２導電型の第４領域とを有し、
   前記第４領域は、前記第３領域の上面から０．３μｍ以上且つ０．７μｍ以下の範囲に形成されていることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記第４領域における不純物濃度のピーク位置は、前記第３領域の上面から０．３μｍ以上且つ０．７μｍ以下の領域にあることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記第４領域における不純物濃度のピーク値は、前記第３領域の不純物濃度と比べて１０^３ 倍以上高いことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
4. 前記第３領域の不純物濃度は、前記第２領域の不純物濃度と同等以上且つ１０倍以下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。
5. 前記第２半導体層は、前記受光領域の周辺部に前記第４領域と接続されて形成され、前記第３領域よりも不純物濃度が高い第２導電型の第５領域を有し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。
6. 前記第１領域の不純物濃度は、前記半導体基板の不純物濃度と比べて１０^３ 倍以上高いことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
7. 前記第２半導体層に該第２半導体層の表面から前記第１半導体層に達するように形成された素子分離絶縁層により区画されてなるトランジスタ領域をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光半導体装置。
8. 前記トランジスタ領域は、
   前記第２領域の上部に形成された第２導電型の不純物を含む素子分離領域と、
   前記素子分離領域の上で且つ前記第３領域の内部に形成された第１導電型のコレクタ領域と、
   前記コレクタ領域の上部に形成された第２導電型のベース領域と、
   前記ベース領域の内側に形成された第１導電型のエミッタ領域とを有し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。

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