JP5515444B2 - 半導体受光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体受光装置及びその製造方法に関し、特に、青色光に対する高速応答性を具備する半導体受光装置及びその製造方法に関する。

近年、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）及びブルーレイディスクなどの光ディスク装置の高密度化が進展し、実用化されている。特に、青色レーザ光を用いるブルーレイディスク装置においては、さらに読み出し速度、書き込み速度の高速化が進展している。そのため、光ピックアップに搭載されるＰＤＩＣ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の高速化が要請されている。光ディスク装置が高速化される場合、一般にレーザ出力も高出力化される。よって、入射光パワーが高い場合において、ＰＤＩＣの高速応答性が実現されなければならない。

しかし、ＰＤＩＣの材料であるシリコンは、青色光における吸収係数が赤外光や赤色光に比べて大きく、シリコン表面付近での光吸収量が多くなる。よって、光吸収により生成されるフォト生成キャリアは、シリコン表面付近に集中する。そのため、表面再結合によりフォト生成キャリアが対消滅する確率が高くなり、感度（＝光電流／入射光パワー）が低下する傾向となる。従って、青色光対応のＰＤＩＣにおいては、感度の確保が重要な課題である。このような課題については、例えば特許文献１に記載されている。

ここで、一般的なＰＤＩＣにおけるＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）の構成について説明する。図１１は、一般的なＰＤＩＣにおけるＰＤの構成を示す上面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線における断面構成を模式的に示す断面図である。まず、上面構造について、図１１を用いて説明する。図１１に示すように、このＰＤは、ｎ型高濃度拡散層１１０がｐ型分離拡散層１１４で仕切られて、４分割されている。４分割されたｎ型高濃度拡散層１１０のそれぞれの上には、カソード電極１１３が形成されている。ｎ型高濃度拡散層１１０の外周には、ｎ型エピタキシャル層１０５が形成されている。また、４分割されたＰＤを取り囲むように、ｐ型拡散層１０４が形成されている。このＰＤでは、４分割されたｎ型高濃度拡散層１１０のそれぞれに、光電流が等しく流れるようにビームスポットの位置を調節することで、ビームスポット位置をＰＤの中央に合わせることができる。

次に、このＰＤの断面構造について、図１２を用いて説明する。このＰＤは、図１２に示すように、ｐ型シリコン基板１０１上に、ｐ＋型シリコン層１０２、ｐ−型エピタキシャル層１０３及びｎ型エピタキシャル層１０５が積層されている。その一部には、ｎ型エピタキシャル層１０５及びｐ−型エピタキシャル層１０３を貫通して、ｐ＋型シリコン層１０２に達する、ｐ型拡散層１０４が形成されている。また、このＰＤを分割するために、ｎ型エピタキシャル層１０５を貫通して、ｐ−型エピタキシャル層１０３に達するｐ型分離拡散層１１４が形成されている。ｐ型分離拡散層１１４により分割された領域には、ｎ型高濃度拡散層１１０が形成されている。さらに、当該ＰＤ部の表面を覆う誘電体膜１１１が形成されている。誘電体膜１１１の一部には開口が設けられ、ｐ型拡散層１０４に接するアノード電極１１２と、ｎ型高濃度拡散層１１０に接するカソード電極１１３が形成されている。

続いて、このＰＤの製造方法について、図１２を用いて説明する。まず、結晶成長により、ｐ型シリコン基板１０１上に、ｐ＋型シリコン層１０２とｐ−型エピタキシャル層１０３を順に形成する。続いて、イオン注入により、ｐ型拡散層下部１０４ａを形成する。次に、結晶成長により、ｎ型エピタキシャル層１０５を形成する。続いて、イオン注入により、ｐ型拡散層上部１０４ｂを形成する。次に、イオン注入により、ｐ型分離拡散層１１４を形成する。次に、分割されたそれぞれのＰＤ領域に、リン又はヒ素をイオン注入して、ｎ型高濃度拡散層１１０を形成する。次に、当該ＰＤを覆う誘電体膜１１１を形成し、その一部に開口を設ける。最後に、それぞれの開口部にアノード電極１１２とカソード電極１１３とを形成し、図１１及び１２に示すＰＤを作製することができる。

このＰＤにおいては、特に記録用途向けに特徴的な課題として、セトリングタイムを極力短縮しなければならない。ここで、セトリングタイムとは、書き込みのために入射した光が遮断された後に、光電流が１％以内までに減少するまでの時間をいう。

ところが、入射光パワーが高い場合においては、フォト生成キャリアの滞留による電界遮蔽のために応答が遅くなり、特に青色光対応のＰＤで顕著である。シリコンの青色光に対する吸収係数は大きく、光強度が１／ｅになる深さは約０．１５μｍと浅い。また、ＰＤの表面付近がｎ型で、基板がｐ型であるので、フォト生成ホールキャリアの滞留による電界遮蔽は、表面付近の領域から発生する。そのため、表面付近では電界が存在しなくなり、電界が存在する領域はより深い位置に移動する。従って、移動度の小さいホールキャリアがｐ型領域に到達するまでの時間が大幅に長くなり、結果として応答速度の低下を招く。

こうした応答速度が低下する問題を緩和させる方法として、ＰＤの受光面と平行な方向のｐｎ接合（以下横型ｐｎ接合と表記）を形成し、受光面と平行な電界を生成する方法が考えられる。ただし、横型ｐｎ接合の空乏層幅は受光領域の広さに比べて狭いので、横型ｐｎ接合をフィンガー状または格子状に配置して、受光領域をカバーする必要がある。特許文献２〜７では、このような構造が提案されている。

特許文献２では、受光領域の中に電極が配線されている。入射した光は電極によって遮られるため、ＰＤの感度が低下する。ここで、（感度）＝（光電流）／（入射光パワー）である。ところが、青色光対応のＰＤでは、赤外光や赤色光に比べて感度の問題は重要である。一般に、光の波長が短いほど光子１個あたりのエネルギーは大きくなるので、単位エネルギーあたりの光子数は少なくなる。従って、ＰＤに等しいエネルギーの光が入射する場合、光の波長が短いほど、光電流は小さくなるからである。

つまり、青色光対応のＰＤでは、理想的に量子効率が１００％であったとしても、赤外光又は赤色光に比べて、原理的に感度が低下してしまう。よって、青色光対応のＰＤでは、可能な限り１００％に近い量子効率を実現することが望まれる。そのため、青色光対応のＰＤでは、受光領域に電極が配線されることは好ましくない。

また、受光領域に電極を配置すると、さらに量子効率を低下させる原因が存在する。光が入射した位置ではキャリアが対生成されて熱平衡状態からのずれを生じ、電子とホールの擬フェルミ準位が離れる。一方、電極の抵抗が十分に低いと考えた場合、電極内でのポテンシャルは一定で、ほぼ熱平衡状態である。よって、電極と接する部分の半導体においては、２つの擬フェルミ準位が一致して、１つのフェルミ準位となり、少数キャリアのキャリア濃度は十分に低くなる。そのため、光が入射した位置と、電極と接する部分とでは、少数キャリアの濃度が異なる。従って、光の入射位置と電極とが近接する場合、少数キャリアの濃度勾配は急峻になるため、少数キャリアが電極に向かって移動し、拡散電流が発生する。これにより、表面付近での少数キャリアの消滅が多くなって光電流に寄与しない成分が生じ、その結果、ＰＤの感度は低下する。よって、特許文献２で提案されている構造は採用し得ない。

特許文献３では、ＰＤにトレンチ部を設ける構造が提案されている。しかし、トレンチ部が存在する場合には、理想的な無反射コーティング膜を形成することが困難である。よって、一部の光がトレンチ部に入射することで量子効率が低下し、感度低下の問題が生じてしまう。

特許文献４では、ｐｎ接合がフィンガー状となっている場合において、フィンガー幅とフィンガー間隔に適切な値の範囲があることを述べている。

特許文献５では、フィンガーが埋込み拡散により形成される場合について述べられており、フィンガー間隔にはトレードオフの関係があって、適切な値の範囲があることを述べている。

特許文献７は、低抵抗層の導入により、抵抗を低減する構造が提案されている。しかし、低抵抗層に光が入射した場合には、感度低下や応答速度劣化の問題を生じる。なお、特許文献６及び８については後述する。

特開２００４−８７９７９号公報 特開２００８−１１２８６３号公報 特開２００６−３３９５３３号公報 特開２００６−１２８５９２号公報 特開２００６−１６５４８７号公報 特開２００１−１３５８４９号公報 特開２００２−１６４５６５号公報 特開２００２−２０３９５４号公報

このように、横型ｐｎ接合がフィンガー状または格子状に配置されたＰＤには、上述の問題をはじめとする、いくつかの問題がある。中でも、入射光パワーが高い場合における高速応答性を実現するためには、適切なフィンガー幅やフィンガー間隔は、狭い範囲に限定されるという問題が特に重要である。

ここで、適切なフィンガー幅やフィンガー間隔が狭い範囲に限定されるメカニズムについて説明する。ＰＤＩＣにおけるＰＤは、その後段にトランスインピーダンスアンプが接続される。このトランスインピーダンスアンプのゲインを上げるためには、なるべく帰還抵抗を大きくする必要がある。この帰還抵抗はＰＤの負荷抵抗となるので、ＰＤのＣＲ制限による応答低下を避けるためには、ＰＤの容量を小さくしなければならない。ところが、フィンガーを設ける場合、フィンガーの本数が増えるとともに、ｐｎ接合面積も増えるので、ＰＤの容量は増大する。よって、配置可能なフィンガー本数には上限が存在する。

また、（フィンガー本数）×（フィンガー間隔）＝（受光領域の長さ）は一定なので、フィンガー間隔には下限が存在する。一方、所定の電圧印加に対する横型ｐｎ接合の空乏層の伸びには限りがあるので、フィンガー間隔が広すぎると応答速度が低下する。よって、フィンガー間隔には上限が存在する。このように、フィンガー間隔にはトレードオフの関係があり、適切な値の範囲が存在する。

さらに、フィンガーの中心部に光が入射した場合、フィンガー幅が広すぎると、深さ方向にｐｎ接合を有するＰＤと同様となってしまうので、フィンガー化のメリットが消失する。一方、フィンガー幅が狭すぎると、フィンガー抵抗が高くなる。よって、入射光パワーが高い場合において、大きな光電流が流れた場合の電圧降下が無視できなくなり、横型ｐｎ接合にかかる電圧が低下して、応答速度が低下する。

ここで、入射光パワーが高い場合における応答速度の低下について、計算を基に説明する。計算にあたり、図１２に示すｐ−型エピタキシャル層１０３の濃度を１×１０^１４ｃｍ^−３であると仮定した。また、図１３は、この計算において仮定した、ｎ型不純物の深さ方向の濃度分布を示すグラフである。

図１４は、３ｄＢ帯域の入射パワー依存性の計算結果を示すグラフである。ここで、計算条件は、図１２に示すｎ型エピタキシャル層１０５の層厚は１．２μｍであり、入射光スポット径は５μｍφ、入射光波長は４０５ｎｍ、印加電圧は２．１Ｖである。なお、計算にあたっては、入射スポット中心の周りに回転対称な円筒座標系を適用した。図１４に示すように、このＰＤでは、入射パワーの増大とともに３ｄＢ帯域は低下する。これは、上述のように、フォト生成キャリアが滞留して電界遮蔽を起こすためである。

ここで、ｎ型不純物の深さ方向の濃度分布を、図１３に示すＡからＢに変更すると、濃度勾配に起因して電界が発生するため、入射光パワーが低い場合における帯域は改善する。しかし、その帯域改善効果は入射光パワーの増大とともに小さくなり、入射光パワーが１５０μＷ以上になると、ほぼその効果は得られない。

特許文献８では、深さ方向の不純物濃度の勾配を利用した応答速度の改善については言及されているが、入射光パワーが高い場合における場合については言及が無い。また、上述のように、不純物濃度分布を変更したとしても、入射光パワーが高い場合における応答速度は差異がないので、対策とはなり得ない。

一方、発明者らは、図１１及び１２に示すＰＤにおいて、ｐ型分離拡散層１１４の近くに光が入射すると、入射光パワーが高い場合における応答速度が大幅に改善することを発見した。発明者らは、このメカニズムを検討するための計算を行った。

まず、計算方法について説明する。ＰＤの構造が水平方向に一様、かつ、光入射スポットの形状が円形であれば、回転対称の円筒座標系を用いて、２次元での計算を行うことができる。しかし、このＰＤのように、ｐ型分離拡散層１１４を考慮しなければならない場合は、３次元での計算を行う必要がある。

しかし、３次元での計算は、非常に長い時間を要する。よって、計算を簡易化するためのモデルを導入して、２次元での計算を行った。具体的には、図１２に示すＰＤの構造において、紙面に垂直な方向に対しては一様な構造、すなわち、光入射スポット形状は円形ではなく、ストライプ状であると仮定した。このモデルによる計算結果は、３次元での計算結果と厳密には一致しないが、現象を定性的に判断するには十分である。

次に計算条件について述べる。計算にあたり、ｎ型エピタキシャル層１０５の層厚は１．２μｍとし、ｐ型分離拡散層１１４の中心とｎ型高濃度拡散層１１０の端との間隔は５μｍとした。また、入射スポット幅は５μｍであり、入射光波長は４０５ｎｍとした。ここで、入射光の強度分布はガウス分布であると仮定し、入射スポット幅は、スポット中心からスポット中心の光強度の１／ｅとなる位置までの全幅である。さらに、アノード電極１１２はグランドとし、２つに分かれたカソード電極１１３の両方には、２．１Ｖの電圧が印加される条件とした。

図１５は、３ｄＢ帯域の光入射位置依存性の計算結果を示すグラフであり、図１２に示すｐ型分離拡散層１１４の中心を原点として、入射光スポットが受光面と平行な方向にシフトしていく場合についての計算結果を示している。図１５に示すように、ｎ型高濃度拡散層１１０に光が入射する場合に比べ、ｐｎ接合領域やｐ型領域に光が入射すると、入射光パワーが高い場合における帯域が向上する。これは、ｐｎ接合位置では受光面と平行な電界が存在し、かつ、ｐ型領域の少数キャリアである電子の移動度が大きいためである。

以上の計算結果から、ｎ型高濃度拡散層１１０をフィンガー状あるいは格子状とし、その領域の太さを光入射スポット幅より狭くすることにより、入射光パワーが高い場合における帯域の向上が期待できる。

ただし、この結果は、フィンガー状又は格子状のレイアウトについて計算したものではない。本来、フィンガー状又は格子状のレイアウトについて、２次元での計算を行うことが望ましいが、実際には困難である。以下でその理由を述べる。２次元での計算を行う際に、ｎ型高濃度拡散層１１０とカソード電極１１３とは電気的に接続されていなければならないが、２次元の計算にフィンガー状レイアウトを反映しようとすると、ｎ型高濃度拡散層１１０の直上にカソード電極１１３を配置しなければならない。ところが、電極を光入射位置の近傍に配置すると、正確な計算は行えなくなる。電極に接する位置の半導体では、電子とホールの擬フェルミ準位が一致しなければならない。一方、光入射位置では電子とホールが対生成されるため、電子とホールの擬フェルミ準位が離れていなければならない。よって、電極と光入射位置が近接している場合と、離れている場合とでは物理現象が大きく異なるためである。

以上に述べた理由で、フィンガー状レイアウトについての計算は実行していないが、図１１及び１２に示すＰＤにかかる計算結果は、フィンガー状レイアウトでの入射光パワーが高い場合における帯域向上を期待するのに十分な結果である。

ただし、フィンガー抵抗については、別途考慮する必要がある。ここで、ｐ型領域の抵抗については、ｐ型分離拡散層１１４は、その下層のｐ−型エピタキシャル層１０３と電気的に接続されているので、問題とはならない。しかし、カソード電極１１３に接続された電流経路は、ｎ型高濃度拡散層１１０のみである。これは、図１１に示すようにｎ型高濃度拡散層１１０が四角形に広がっている場合よりも抵抗が高くなることは明らかである。この場合に、例えば、抵抗が１０ｋΩで光電流が１００μＡであれば、その電圧降下は１Ｖと無視できない大きさとなるため、応答速度の低下を招くことになる。ところが、抵抗を下げるためにフィンガーの幅を広くすると、フィンガー構造による帯域向上効果は低下してしまう。

フィンガー抵抗の問題は、フィンガーの上部に電極を配線して解決する方法も考えられる。しかし、先に述べたように、受光領域に電極配線を設けることは感度低下を招くので、極力感度を高くしたい青色光対応ＰＤでは望ましくない。従って、セントリングタイムの要求に応えるには、別途フィンガー抵抗の問題を解決しなければならない。

また、特許文献６におけるように、空乏層が十分に伸びていない場合は、ｎ型領域の抵抗は低減できる。しかし、電界がかからない領域が広いため、十分な応答速度が得られなくなる。一方、特許文献６におけるように、空乏層を十分に広げると、やはり抵抗の問題が生じる。このように、空乏化によって電界を生じさせることと、抵抗を下げることの両立は難しい。

以上をまとめる。第１の問題点は、深さ方向にｐｎ接合を有する青色光対応シリコンＰＤでは、特に入射光パワーが高い場合における応答速度が遅くなるということである。この原因は、フォト生成キャリアの滞留によって電界が遮蔽されることに起因する。その理由は、ｐｎ接合が表面に無いことにより表面近傍では電界がかからないところに、青色光の場合、光吸収によるキャリアの対生成はほとんど表面近くで起こるためである。

第２の問題点は、第１の問題点を解決するため、受光面と平行な方向に形成されたｐｎ接合をフィンガー状や格子状にレイアウトした場合、フィンガー抵抗が高くなるために、ある程度以上の高パワーの入射光に対して、光電流による電圧降下が無視できなくなり、応答速度が低下することである。

本発明の目的は、入射光パワーが高い場合において、優れた応答速度を確保できる半導体受光装置及びその製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、フィンガー状または格子状にレイアウトされ、受光面と平行な方向に形成されたｐｎ接合を有する半導体受光装置において、内部抵抗を低減できる半導体受光装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様である半導体受光装置は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第２導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層を貫通して前記半導体基板に至る第１導電型の第１の拡散領域と、前記第１の半導体層を介して前記第１の拡散領域と対向して形成された第２導電型の第２の拡散領域と、光が入射される受光領域の外側に形成された第１及び第２の電極と、を少なくとも備え、前記第２の拡散領域は、前記第１の半導体層を介して前記第１の拡散領域と対向して形成された第２導電型の第１の拡散層と、前記第１の半導体層及び前記第１の拡散層を介して前記第１の拡散領域及び前記半導体基板と対向して形成され、前記第１の拡散層よりも不純物濃度が高い第２導電型の第２の拡散層とを少なくとも備え、前記第１の電極は前記半導体基板と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第２の拡散領域に接して形成されているものである。

本発明の一態様である半導体受光装置の製造方法は、第２導電型の第１の半導体層を第１導電型の半導体基板上に形成する第１の工程と、第１導電型の第１の拡散領域を前記第１の半導体層を貫通して前記半導体基板に至らせて形成する第２の工程と、第２導電型の第２の拡散領域を前記第１の半導体層を介して前記第１の拡散領域と対向させて形成する第３の工程とを少なくとも備え、前記第３の工程は、第２導電型の第１の拡散層を、前記第１の半導体層を介して前記第１の拡散領域と対向させて形成する工程と、前記第１の拡散層よりも不純物濃度が高い第２導電型の第２の拡散層を、前記第１の半導体層及び前記第１の拡散層を介して、前記第１の拡散領域及び前記半導体基板と対向させて形成する工程とを少なくとも備える。

本発明によれば、入射光パワーが高い場合において、優れた応答速度を確保できる半導体受光装置及びその製造方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる半導体受光装置の構成を示す上面図である。 実施の形態１にかかる半導体受光装置の構成を模式的に示す断面図上面図である。 実施の形態１にかかる半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。 実施の形態１にかかる半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。 実施の形態１にかかる半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。 実施の形態１にかかる半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。 計算に用いる半導体受光装置モデルの構成を示す断面図である。 半導体受光装置における電界強度を示すグラフである。 半導体受光装置の３ｄＢ帯域と最大入射パワー密度との関係を示すグラフである。 半導体受光装置の立ち上がりの際のパルス応答を示すグラフである。 半導体受光装置の立ち下がりの際のパルス応答を示すグラフである。 実施の形態２にかかる半導体受光装置の構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態３にかかる半導体受光装置の構成を示す上面図である。 一般的なＰＤＩＣにおけるＰＤの構成を示す上面図である。 一般的なＰＤＩＣにおけるＰＤの構成を模式的に示す上面図である。 計算条件として仮定した、ｎ型不純物の深さ方向の濃度分布を示すグラフである。 一般的なＰＤＩＣにおけるＰＤにスポットサイズ５μｍφの青色光が入射した場合の３ｄＢ帯域の入射パワー依存性の計算結果を示すグラフである。 一般的なＰＤＩＣにおけるＰＤの３ｄＢ帯域の光入射位置依存性の計算結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１
本実施の形態にかかる半導体受光装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる半導体受光装置の構成を示す上面図である。図２は、この半導体受光装置の、図１に示すII−II線における断面構成を模式的に示す断面図である。まず、この半導体受光装置の上面構造について、図１を用いて説明する。この半導体受光装置は、図１に示すように、ｐ型高濃度拡散層８により４分割されている。ｐ型高濃度拡散層８は、後述するように、ｐ型拡散層４と電気的に接続されている。

この半導体受光装置では、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０がフィンガー状に形成されている。また、ｎ型エピタキシャル層５を介して、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０と対向するように、ｐ型低濃度拡散層７が形成されている。また、ｎ型エピタキシャル層５及びｐ型低濃度拡散層７を介して、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０と対向するように、ｐ型高濃度拡散層８が形成されている。

カソード電極１３は、ｎ型高濃度拡散層１０の上に形成されている。なお、図示しないが、アノード電極はｐ型拡散層４上のいずれかに形成される。なお、本実施の形態にかかる半導体受光装置においては、感度低下を防止するため、光が入射される受光領域には電極を配置しない。すなわち、電極は受光領域の外側に配置される。そのため、図１においては、４個のカソード電極１３に囲まれた領域が受光領域となる。

ｐ型高濃度拡散層８のフィンガー幅Ｗ１は、入射光のスポット径よりも狭くする。例えば、入射光スポット径＝５μｍであり、Ｗ１＝３±２μｍである。

ｐ型低濃度拡散層７は、ｐ型高濃度拡散層８よりも広く形成されている。ｐ型低濃度拡散層７のフィンガー幅Ｗ２は、例えば、Ｗ２＝７±５μｍである。

ｎ型高濃度拡散層１０のフィンガー幅Ｗ３は、入射光のスポット径よりも狭く、例えば、Ｗ３＝２μｍである。なお、用途に応じて、Ｗ３＝１〜４μｍとしてもよい。

ｎ型低濃度拡散層９は、ｎ型高濃度拡散層１０よりも広く形成されている。ｎ型低濃度拡散層９のフィンガー幅Ｗ４は、例えば、Ｗ４＝６±４μｍである。

ｐ型低濃度拡散層７とｎ型低濃度拡散層９との間隔、すなわちｎ型エピタキシャル層５の幅Ｗ５は、例えば、Ｗ５＝４±２μｍである。また、用途により、Ｗ５＝１〜８μｍ程度の幅としてもよい。このｎ型エピタキシャル層５は、所定のバイアスで空乏化されるように幅と不純物濃度が決定される。

次に、この半導体受光装置の断面構造について説明する。この半導体受光装置は、図２に示すように、ｐ型シリコンからなる基板１上に、ｐ＋型シリコン層２及びｐ−型エピタキシャル層３が順に形成され、基板１と共に半導体基板２０を構成している。

半導体基板２０上には、ｎ型エピタキシャル層５が形成されている。

ｐ−型エピタキシャル層３のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１４ｃｍ^−３である。ｎ型エピタキシャル層５の層厚は、例えば、１．２±０．３μｍであり、不純物濃度は、例えば、１×１０^１５ｃｍ^−３である。なお、吸収深さが浅い青色光対応の半導体受光装置では、応答速度確保のために、ｎ型エピタキシャル層５の層厚は１．５μｍ以下が望ましい。

ｐ＋型シリコン層２、ｐ−型エピタキシャル層３及びｎ型エピタキシャル層５の一部には、ｐ型拡散層４が形成されている。

また、ｎ型エピタキシャル層５を貫通してｐ−型エピタキシャル層３に至る、ｐ型高濃度拡散層８が形成されている。さらに、ｐ型高濃度拡散層８を包み込むように、ｐ＋型シリコン層２に接するｐ型低濃度拡散層７が形成されている。なお、図２では、ｐ型低濃度拡散層７とｐ型高濃度拡散層８とは５組存在するが、その中央の組が、図１に示す半導体受光装置を４分割している部分に相当する。

ｎ型エピタキシャル層５を介して、ｐ型低濃度拡散層７及びｐ型高濃度拡散層８と対向するように、ｎ型低濃度拡散層９が形成されている。また、ｎ型エピタキシャル層５及びｎ型低濃度拡散層９を介して、ｐ型低濃度拡散層７及びｐ型高濃度拡散層８と対向するように、ｎ型高濃度拡散層１０が形成されている。

ｎ型高濃度拡散層１０の最大不純物濃度は、ｎ型低濃度拡散層９の最大不純物濃度よりも２倍以上高いことが望ましく、ｎ型高濃度拡散層１０の最大不純物濃度は、少なくとも６×１０^１７ｃｍ^−３以上が望ましい。これは、ｎ型領域に光が入射した場合、応答速度を律速する少数キャリアは移動度の小さいホールであるので、不純物濃度勾配の設定がｐ型領域より重要だからである。

また、ｎ型低濃度拡散層９の最大不純物濃度は、高くても４×１０^１７ｃｍ^−３以下が望ましい。さらに、ｎ型低濃度拡散層９が空乏化すると、キャリアが枯渇して抵抗が高くなるので、ｎ型低濃度拡散層９は空乏化しないように設計する必要がある。そのため、この半導体受光装置の動作電圧において、ｎ型低濃度拡散層９が空乏化しないために必要な不純物濃度として、ｎ型低濃度拡散層９の最大不純物濃度は、少なくとも２×１０^１６ｃｍ^−３以上が望ましい。

また、深さ方向の不純物濃度の勾配を考えると、ｎ型低濃度拡散層９は、ｎ型高濃度拡散層１０よりも深くまで形成されていることが望ましい。そのため、不純物の拡散係数の大小関係を考慮すると、ｎ型低濃度拡散層９の不純物にはリンを、ｎ型高濃度拡散層１０の不純物にはヒ素を用いることが望ましい。

さらに、ｎ型低濃度拡散層９の不純物濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３となる深さは、ｎ型エピタキシャル層５の表面から、少なくとも０．４μｍ以上であることが望ましい。

ただし、拡散が深すぎると、ｐ−型エピタキシャル層３がｎ型に反転してしまう。すると、ｐｎ接合の深さが深くなって、ホールのキャリア輸送にとっては不利になるので、ある程度の限度がある。この点を考慮すると、ｎ型低濃度拡散層９の濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３となる深さは、ｎ型エピタキシャル層５の表面から０．８μｍ以下であることが望ましい。

また、上述のように、ｎ型高濃度拡散層１０の拡散深さはｎ型低濃度拡散層９の拡散深さよりも浅いことが望ましいでの、その拡散深さは、０．３μｍ以下であることが望ましい。

ｎ型エピタキシャル層５、ｐ型低濃度拡散層７、ｐ型高濃度拡散層８、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０の上には、これらを覆う誘電体膜１１が形成されている。なお、この誘電体膜１１は、無反射コーティング膜として機能する。

誘電体膜１１の一部は部分的に開口され、当該開口を介して、ｐ型拡散層４に接するアノード電極１２及びｎ型高濃度拡散層１０と接するカソード電極１３が形成されている。

この半導体受光装置には上方から光が入射するので、この半導体受光装置の上面が受光面となる。よって、ｐｎ接合は、受光面に対して平行な方向及び垂直な方向の両方向に対して形成されている。

次に、この半導体受光装置の製造方法について説明する。図３Ａ〜Ｄは、この半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。この半導体受光装置を製造するには、図３Ａに示すように、基板１上に、例えばエピタキシャル成長法により、ｐ＋型シリコン層２及びｐ−型エピタキシャル層３を順に形成し、半導体基板２０を作製する。ｐ−型エピタキシャル層３を形成するに際しては、例えば、ホウ素をドーピングすることにより、ｐ型不純物濃度を１×１０^１４ｃｍ^−３とする。なお、以下では、ｐ型不純物はホウ素である。続いて、例えばリソグラフィとイオン注入により、ｐ型拡散層下部４ａを形成する。

次に、図３Ｂに示すように、例えばエピタキシャル成長法により、ｐ−型エピタキシャル層３及びｐ型拡散層下部４ａの上に、ｎ型エピタキシャル層５を形成する。ｎ型エピタキシャル層５の層厚は、例えば１．２±０．３μｍである。ｎ型エピタキシャル層５を形成するに際しては、例えば、リンをドーピングすることにより、ｎ型不純物濃度を１×１０^１５ｃｍ^−３とする。続いて、例えばリソグラフィとイオン注入により、ｐ型拡散層上部４ｂを形成する。ｐ型拡散層下部４ａとｐ型拡散層上部４ｂとは一体となって、ｐ型拡散層４となる。

次に、図３Ｃに示すように、例えばリソグラフィとイオン注入により、ｐ型低濃度拡散層７、ｐ型高濃度拡散層８、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０を順次形成する。この際、イオン注入のマスクパターンは、図１に示すレイアウトとする。

なお、ｎ型低濃度拡散層９は、ｎ型高濃度拡散層１０のよりも拡散深さが深くなるように、例えば不純物としてリンをイオン注入する。ｎ型高濃度拡散層１０には、例えば不純物としてヒ素をイオン注入する。また、イオン注入のドーズ量は、ｎ型低濃度拡散層９では小さく、ｎ型高濃度拡散層１０では大きくする。

なお、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０の形成は、別の方法により、同時に行うことも可能である。この場合は、ｎ型エピタキシャル層５上のｎ型低濃度拡散層９を形成する部分に厚い誘電体膜を、ｎ型高濃度拡散層１０を形成する部分には薄い誘電体膜を形成してイオン注入を行う。この方法を用いる場合は、リソグラフィ及びイオン注入の回数を削減できるので、チップコストを低減できるという利点が得られる。なお、誘電体膜は、次工程に進む前に除去する。

次に、図３Ｄに示すように、ｎ型エピタキシャル層５、ｐ型低濃度拡散層７、ｐ型高濃度拡散層８、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０を覆う誘電体膜１１を形成する。この際、受光面上で、入射する光に対して無反射コーティング膜となるように、誘電体膜の膜厚を設定する。続いて、ｐ型拡散層４及びｎ型高濃度拡散層１０の上に誘電体膜１１に開口を形成する。

最後に、その開口を介して、ｐ型拡散層４に接するアノード電極１２を、ｎ型高濃度拡散層１０に接するカソード電極１３を形成し、図１及び２に示す半導体受光装置を得る。

この半導体受光装置では、ｐ型低濃度拡散層７及びｐ型高濃度拡散層８は、図２に示すように、ｐ＋型シリコン層２と接する経路が構成されるので、ｐ型低濃度拡散層７及びｐ型高濃度拡散層８によるフィンガー抵抗は十分に小さい。一方、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０ではそのような経路は構成されないので、そのフィンガー抵抗には注意を払わなければならない。そこで、図１に示すように、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０からなるフィンガーは、カソード電極１３と最短距離となるように、カソード電極１３の垂線に沿う形状となっている。

この半導体受光装置において、例えばスポットサイズ５μｍφの光が入射した場合、光の少なくとも一部は、受光面と平行な方向に不純物濃度の勾配がある領域、又は受光面と平行な方向の電界存在する、空乏化されたｎ型エピタキシャル層５に入射する。

続いて、本実施の形態にかかる半導体受光装置の作用効果について、さらに説明する。発明者らは、本実施の形態におけるように、フィンガー幅が広く、かつ、受光面と平行な方向に電界を生じさせることにより帯域低下を抑制する効果について、計算により検証した。

図４は計算のための半導体受光装置のモデル構造を示す断面図である。このモデルでは、図４に示すように、ｐ型シリコンからなる基板１上に、ｐ＋型シリコン層２及びｐ−型エピタキシャル層３が順に形成され、基板１と共に半導体基板２０を構成している。

半導体基板２０上には、ｎ型エピタキシャル層５が形成されている。

ｎ型エピタキシャル層５には、ｎ型高濃度拡散層１０が形成されている。また、ｎ型高濃度拡散層１０を半ば包み込むように、ｎ型低濃度拡散層９が形成されている。

また、ｎ型エピタキシャル層５を貫通してｐ−型エピタキシャル層３に達する、ｐ型分離拡散層１４が形成されている。ｎ型低濃度拡散層９の端とｐ型分離拡散層１４との間の距離は、７μｍである。

ｎ型エピタキシャル層５、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０の上には、これらを覆う誘電体膜１１が形成されている。なお、この誘電体膜１１は、無反射コーティング膜として機能する。

誘電体膜１１の一部は部分的に開口され、当該開口を介して、ｐ型拡散層４に接するアノード電極１２及びｎ型高濃度拡散層１０と接するカソード電極１３が形成されている。

図５は、図４に示すｎ型エピタキシャル層５の層厚を１．２μｍとして、２．１Ｖの電圧を印加した場合の、受光面と平行な方向の電界強度分布を示すグラフであり、縦軸は電界強度、横軸はｐ型分離拡散層１４の中心からの距離Ｘである。実線で示した条件１は、図４に示すモデルにおける場合である。点線で示した条件２は、図１１及び１２に示すＰＤにおいて、ｐ型分離拡散層１１４の中心とｎ型高濃度拡散層１１０の端との間隔を７μｍとした場合である。

条件ａでは、Ｘ＝±２μｍでのピークは、空乏化による電界によるものである。また、Ｘ＝±７μｍでのピークは、ｎ型高濃度拡散層１０の端部に存在する濃度勾配に起因する電界によるものである。さらに、Ｘ＝±５μｍでのピークは、ｎ型低濃度拡散層９の端部に存在する濃度勾配に起因する電界によるものである。

条件ａと比べ、条件ｂは、Ｘ＝±５μｍでの電界はほぼ存在しない。よって、この領域でフォト生成された少数キャリアであるホールは、移動度が小さく、かつ電界がほぼ存在しないため、ｐ型領域まで拡散するにはかなり長い時間を要する。そのため、応答速度が低下する。

しかし、これを回避するためにｎ型エピタキシャル層５の濃度を下げて空乏層を広げることは、抵抗の点で望ましくない。空乏化領域はキャリアが非常に少なくなり、電気伝導に寄与しなくなるためである。つまり、条件ａでは、空乏化によらずに、ｎ型低濃度拡散層９を設けることで電界を生じさせているところに大きな特徴がある。

図６は、３ｄＢ帯域の入射パワー依存性の計算結果を示すグラフである。計算条件は、図４に示すｎ型エピタキシャル層５の層厚は１．２μｍであり、入射光スポットの幅は５μｍ、入射光波長は４０５ｎｍ、印加電圧は２．１Ｖである。破線で示した条件ｃは、図１１及び１２に示すＰＤにおいて、ｐ型分離拡散層１１４の中心とｎ型高濃度拡散層１１０の端との間隔を、５μｍとした場合である。条件ａ及びｂについては、図５と同様であるので、説明を省略する。なお、条件ａ〜ｃのいずれでも、入射スポットの中心位置は、ｐｎ接合の空乏化領域となる。

この計算結果はフィンガー状レイアウトについて行ったものではないが、条件ｃを出発点として、フィンガー構造の効果について見積もる。

まず、条件ｃは、フィンガー状レイアウトを導入した場合であると仮定する。フィンガー状レイアウトを導入すると、フィンガー状レイアウトを導入しない場合に比べて、入射光パワーが高い場合における帯域は向上する。しかし、フィンガー抵抗は大きくなる。フィンガー抵抗を低減するためには、フィンガー幅を広くしなければならないが、それと共にフィンガー間隔も広くなる。フィンガー幅が広くなった場合を想定したのが、図６に示す条件ｂである。図６に示すように、条件ｂでは、入射光パワーが高い場合における帯域が低下する。

これを、受光面と平行な方向の不純物濃度を２段階にして補償しようとしたのが条件ａである。条件ａは、条件ｂよりも入射光パワーが高い場合の帯域が向上している。これにより、例えば、最大入射パワー密度が１０．１８６μＷ／μｍ^２のときに、帯域が４０ＭＨｚから、その２．５倍の１００ＭＨｚへと向上するという大きな効果をもたらす。

すなわち、これはフィンガー間隔を広げても、入射光パワーが高い場合における帯域に低下を抑制できることに相当する。それとともに、ｎ型高濃度拡散層１０にｎ型低濃度拡散層９が加わってフィンガー幅が広くなり、フィンガー抵抗を下げることができたことに対応する。つまり、一般にはフィンガー幅やフィンガー間隔を広くすると帯域が低下することが問題となるが、本構成によれば、当該問題を解決することができる。

さらに、フィンガー間隔を広げることで、フィンガー本数を削減することができる。よって、ｐｎ接合面積の総和が減少するので、容量も低減できるという利点を有する。これにより、ＰＤの高速応答性を確保することができる。

図７及び８は、条件ａ〜ｃについてのパルス応答のシミュレーション結果を示すグラフである。図７はパルスの立ち上がりの場合であり、図８はパルスの立下りの場合である。ここで、条件ａと条件ｂの１％セントリングタイムを比較すると、条件ｂでは２．１ｎｓｅｃであるのに対し、条件ａでは半分以下の１．２ｎｓｅｃとなっており、高速応答性が向上することがわかる。

従って、上述の計算結果が示すように、本構成によれば、受光面と平行な方向の不純物濃度を２段階に変化させることにより、フィンガー幅及びフィンガー間隔を広くすることが可能である。よって、入射光パワーが高い場合においても、高い帯域を確保できる半導体受光装置を得ることができる。さらに、本構成によれば、フィンガー本数を削減できるので、半導体受光装置の容量を低減できる。

すなわち、本構成によれば、１％セントリングタイムを低減し、優れた高速応答性を具備するＰＤを得ることができる。

なお、本実施の形態にかかる半導体受光装置によれば、１％セトリングタイムを３ｎｓｅｃ以下にすることができる。

しかも、本実施の形態にかかる半導体受光装置は内部抵抗が低いので、接続される負荷抵抗を大きくすることができる。これにより、トランスインピーダンスアンプのゲインを向上させることができる。

さらに、本構成によれば、受光領域に入射した光が電極で遮られることはないので、半導体受光装置の感動低下を防止することができる。

実施の形態２
実施の形態２にかかる半導体受光装置は、図２に示す半導体受光装置において、ｐ型低濃度拡散層７及びｐ型高濃度拡散層８を、ｐ型埋込み拡散層６に置き換えたものである。図９は、本実施の形態にかかる半導体受光装置の構成を模式的に示す断面図である。この半導体受光装置では、図９に示すように、図２の中央以外のｐ型低濃度拡散層７及びｐ型高濃度拡散層８が、ｐ型埋込み拡散層６に置き換わっている。なお、図９に示すｐ型低濃度拡散層７及びｐ型高濃度拡散層８により、この半導体受光装置は４分割される。その他の構成は図２と同様であるので、説明を省略する。

次に、この半導体受光装置の製造方法について説明する。この半導体受光装置では、まず、結晶成長により、基板１上にｐ−型エピタキシャル層３を形成する。続けて、ｐ型埋込み拡散層６を形成する。次に、結晶成長により、ｎ型エピタキシャル層５を形成する。

本構成によれば、ｐｎ接合位置が上下に波打つ形状となるので、受光面と垂直な方向及び平行な方向の両方向に電界がかかる。よって、ｐ型埋込み拡散層６上部の表面は低濃度で空乏化し、電界がかかるようになる。その結果、この半導体受光装置の応答速度が向上するという格別な効果を奏することができる。

実施の形態３
実施の形態３にかかる半導体受光装置は、図１に示す半導体受光装置において、フィンガー状に形成されたｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０を、格子状に形成したものである。図１０は、本実施の形態にかかる半導体受光装置の構成を示す上面図である。この半導体受光装置は、図１０に示すように、４分割されており、分割されたそれぞれの領域に、格子状のｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０が形成されている。

ｎ型低濃度拡散層９は、ｎ型エピタキシャル層５を挟んで、ｎ型低濃度拡散層９及びｎ型高濃度拡散層１０を取り囲んで形成されている。ｐ型低濃度拡散層７とｐ型高濃度拡散層８とは、図２に示すように、ｐ＋型シリコン層２を介して接続されているので、このように、格子状に形成することが可能である。

ｎ型高濃度拡散層１０は、ｎ型エピタキシャル層５、ｐ型低濃度拡散層７、ｐ型高濃度拡散層８及びｎ型低濃度拡散層９を包含するように形成されている。

なお、図１０のII−II線における断面構造は、図２と同様であるので、説明を省略する。また、この半導体受光装置の製造方法については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

本構成によれば、図１に示す半導体受光装置と比較して、ｎ型領域に起因する抵抗を低減することができる。よって、より高いパワーの光が入射した場合の電圧降下を抑制することができるので、高速応答性を確保することができる。

他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の半導体受光装置では、ｐ型領域の少数キャリアである電子は移動度が大きいので、ｎ型領域の不純物濃度勾配がより重要である。よって、ｎ型領域の不純物濃度は、２段階に変化させることに限られず、例えば、３段階又はそれ３段階以上の多段階に変化させてもよい。具体的には、例えば、図２に示す半導体受光装置において、ｎ型低濃度拡散層９とｎ型高濃度拡散層１０との間に、不純物濃度がｎ型低濃度拡散層９よりも高く、かつｎ型高濃度拡散層１０よりも低い、１以上の別の拡散層を設けて、不純物濃度変化を３段階以上に変化させることができる。さらに、究極的には、ｎ型低濃度拡散層９とｎ型高濃度拡散層１０の不純物濃度は段階的に変化させることに限られず、連続的に変化させてもよい。

また、ｐ型領域は段階的に不純物濃度を変化させずともよく、例えば、ｐ型低濃度拡散層７を省いてもよい。これにより、製造工程を削減できるので、チップコストが低減するという利点が得られる。

さらに、図１及び図１０に示した半導体受光装置のレイアウトはあくまで例示であり、図１に示すフィンガー状レイアウトと、図１０に示す格子状レイアウトとを、適宜組み合わせることが可能であることは言うまでもない。

１ 基板
２ ｐ＋型シリコン層
３ ｐ−型エピタキシャル層
４ ｐ型拡散層 ４ａ ｐ型拡散層下部 ４ｂ ｐ型拡散層上部
５ ｎ型エピタキシャル層
６ ｐ型埋め込み拡散層
７ ｐ型低濃度拡散層
８ ｐ型高濃度拡散層
９ ｎ型低濃度拡散層
１０ ｎ型高濃度拡散層
１１ 誘電体膜
１２ アノード電極
１３ カソード電極
１４ ｐ型分離拡散層
１０１ ｐ型シリコン基板
１０２ ｐ＋型シリコン層
１０３ ｐ−型エピタキシャル層
１０４ ｐ型拡散層 １０４ａ ｐ型拡散層下部 １０４ｂ ｐ型拡散層上部
１０５ ｎ型エピタキシャル層
１１０ ｎ型高濃度拡散層
１１１ 誘電体膜
１１２ アノード電極
１１３ カソード電極
１１４ ｐ型分離拡散層

Claims (7)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された第２導電型の第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層を貫通して前記半導体基板に至る第１導電型の第１の拡散領域と、
   前記第１の半導体層を介して前記第１の拡散領域と対向して形成された第２導電型の第２の拡散領域と、
   光が入射される受光領域の外側に形成された第１及び第２の電極と、を少なくとも備え、
   前記第２の拡散領域は、
   前記第１の半導体層を介して前記第１の拡散領域と対向して形成された第２導電型の第１の拡散層と、
   前記第１の半導体層及び前記第１の拡散層を介して前記第１の拡散領域及び前記半導体基板と対向して形成され、前記第１の拡散層よりも不純物濃度が高い第２導電型の第２の拡散層とを少なくとも備え、
   前記第１の電極は前記半導体基板と電気的に接続され、
   前記第２の電極は前記第２の拡散領域に接して形成され、
   前記第１の拡散領域は、
   前記第１の半導体層を介して前記第２の拡散領域と対向して形成された第１導電型の第３の拡散層と、
   前記第１の半導体層及び前記第３の拡散層を介して前記第２の拡散領域及び前記半導体基板と対向して形成された第１導電型の第４の拡散層からなり、
   前記第３の拡散層は、前記第４の拡散層よりも不純物濃度が低いことを特徴とする、半導体受光装置。
2. 前記第２の拡散領域は、
   前記第１の拡散層と前記第２の拡散層との間に、第２導電型の１以上の拡散層をさらに備え、
   前記第１の拡散層から前記第２の拡散層に向かって、不純物濃度が段階的に高くなることを特徴とする、
   請求項１に記載の半導体受光装置。
3. 前記第２の拡散領域は、
   前記第１の拡散層から前記第２の拡散層に向かって、不純物濃度が連続的に高くなることを特徴とする、
   請求項１に記載の半導体受光装置。
4. 前記第１の拡散層の不純物濃度は２×１０^１６ｃｍ^−３以上４×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、
   前記第２の拡散層の不純物濃度は６×１０^１７ｃｍ^−３以上であることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の半導体受光装置。
5. 前記第１の拡散層の不純物濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３となる前記第１の半導体層の主面からの深さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下であり、
   前記第２の拡散層の前記第１の半導体層の主面からの拡散深さは０．３μｍ以下であることを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体受光装置。
6. 前記第２の拡散領域は、
   当該半導体受光装置に動作電圧を印加した場合に空乏化されない領域に形成されていることを特徴とする、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体受光装置。
7. 前記第１及び第２の拡散領域はフィンガー状または格子状に形成されていることを特徴とする、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体受光装置。

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