JP5750723B2 - 半導体デバイスの増幅率の電流変化に対する変化の抑制方法、光電変換素子および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、非特許文献1の142〜143ページFig.7で、電流増幅率は、コレクタ電流が100pAのとき35であったのが、コレクタ電流の増加に従って約一桁増加し、約100μAで最大400と
なり、それより大きいコレクタ電流に対しては減少する特性例が示されている。
ジのFig.6.12(A)に示されるように、高濃度不純物ベース領域(グラフトベース127)をエミッタ130外側の側面からエミッタ下へ延在埋設するように設けた構造である。この場合
、高濃度不純物ベース領域をエミッタと離間するとエミッタ中央下の真性ベース(intrinsic base)121までの抵抗が高くなり有効ではない。図1は、非特許文献2のFig.6.12(A)から抽出したグラフトベース構造のトランジスタ断面を示す。図1において、高濃度不純物ベース領域127は、エミッタの端からエミッタ130下に0.35μm延在埋設されている。図1において、110はコレクタ、121は真性ベース、127はグラフトベース、130はエミッタを示す。これらの数字はFig.6.12(A)に上書きされたものである。
電流を増大させる。これは、該リーク電流値に近い低電流領域での電流増幅率を減少させる。これにより、増幅度の変化の少ないコレクタ電流範囲が却って狭められてしまう。更に、ベース・エミッタ間耐圧が小さくなり、トランジスタの応用範囲が縮減されるので望ましくない。
バイポーラトランジスタが必要である。
1)上記従来技術において、電流増幅率の変化を抑えること、
2)かつ、エミッタ・ベース間耐圧を低下させないこと、
を課題とする。
(1)
第1表面と第1厚さを有する第1導電形の第1半導体領域を形成し、
第2表面と第2厚さを有し、該第1導電形に対して逆導電形の第2半導体領域を該第1表面部分で該第1半導体領域に接して形成し、
第3表面と第3厚さを有し、該第1導電形で第2半導体領域より不純物濃度が大きい第3半導体領域を該第2表面部分で該第2半導体領域と接して形成して、半導体素子を形成し、
更に該半導体素子に第4表面と第4厚さを有する該第1導電形に対して逆導電形の第4半導体領域を、該第2表面部分で該第2半導体領域と接するように形成し、
該第4半導体領域を、該第3半導体領域から該第2半導体領域の少数キャリア拡散長以内に離間して該第3半導体領域を囲む平面図形で形成し、
かつ、該第4半導体領域の不純物濃度を該第2半導体領域より大きくした
ことを特徴とする電流増幅率の電流変化に対する変化の抑制方法、
となる。
アの場合は正孔)、第1導電形がp形(キャリアの場合は正孔)であればn形(キャリアの
場合電子)を指す。
前記第2半導体領域の間の耐圧が大きく減少しない距離、例えば、3V耐圧に対して0.06マ
イクロメータは必要である。
導体領域内部のバルク再結合センターにおける少数キャリアのバルク再結合、前記第2半
導体領域の第2表面における表面再結合センターにおける表面再結合であることが知られ
ている。
必要な電流(ベース電流に相当)に対する前記第1半導体領域と前記第3半導体領域間に流れる電流の比(=電流増幅率)は大きくなる。しかし、表面再結合の影響が少なくなる電流領域では、本発明の第4半導体領域が設けられていると、それが電流増幅率の増加を抑
制する。
い。半導体がシリコンであり、第2半導体領域の不純物濃度が1E18原子/cc程度であるとき、この距離は20マイクロメータ程度である。少数キャリアのライフタイムは前記第2半導
体領域の欠陥密度(後述の再結合センターの原因)、不純物濃度、デバイス作成時の温度・時間履歴(高温からの冷却速度も含む)により支配されるので、[少数キャリアの拡散定数とライフタイムの積]の平方根で表される拡散長は不純物濃度、デバイス作成時条件により変わる。
(2)
前記第4半導体領域が、該第3半導体領域を囲む平面図形に関口部を有する場合は、該関口部の最短距離の寸法が前記第3半導体領域を囲む内周辺長の1/10以下であれば実
現できる。
さらに、(2)記載の電流増幅率の電流変化に対する変化方法では、前記第3半導体領域の周囲において前記第4の半導体領域に完全に固まれない部分(前記開口部)があっても、前記第4半導体領域から逆導電形のキャリアが流れ出している部分では、前記電流増幅率の増加を抑えることが出来る。関口部の距離が、前記第4半導体領域が前記第3半導体領域を囲む内周辺長の1/10以下または該逆導電形キャリアの拡散長の2倍以下であれ
ば、本発明の効果は十分得られる。
(3)
この電流増幅率の増加の抑制を実現するためには、第4半導体領域の不純物濃度が第2半導体領域に対して10倍以上あればよい。
(4)
第1表面と第1厚さを有する第1導電形の第1半導体領域と、
第2表面と第2厚さを有し、該第1表面部分で該第1半導体領域に接して設けられた該
第1導電形に対して逆導電形の第2半導体領域と、
第3表面と第3厚さを有し、該第2表面部分で該第2半導体領域と接して設けられた該第1導電形で第2半導体領域より不純物濃度が大きい第3半導体領域と、
第4表面と第4厚さを有し、該第2表面部分で該第2半導体と接して設けられた該第1導電形に対して逆導電形の第4半導体領域とから少なくとも構成され、
該第4半導体領域は該第3半導体領域を離間して囲み、
該第4半導体領域は該第3半導体領域から該第2半導体領域の少数キャリア拡散長以内に離間して設け、
かつ、該第4半導体領域の不純物濃度を該第2半導体領域より大きくした
ことを特徴とする光電変換素子、
となる。
(5)
第1表面と第1厚さを有する第1導電形の第1半導体領域を形成し、
第2表面と第2厚さを有し、該第1表面部分で該第1半導体領域に接して設けられた該第1導電形に対して逆導電形の第2半導体領域を形成し、
第3表面と第3厚さを有し、該第2表面部分で該第2半導体領域と接して設けられた該第1導電形の第3半導体領域を形成し、
該第3半導体領域の不純物濃度を、該第3半導体領域と接して設けられた該第2半導体領域より大きくし、
第4表面と第4厚さを有し、該第2表面部分で該第2半導体と接して設けられた該第1導電形に対して逆導電形の第4半導体領域を形成し、
該第4半導体領域は該第3半導体領域から該第2半導体領域の少数キャリア拡散長以内に離間して該第3半導体領域を囲む平面図形で設け、
かつ、該第4半導体領域の不純物濃度を該第2半導体領域より大きくする
ことを特徴とする半導体デバイスの製造方法、
となる。
また、前記第4半導体領域は閉図形で前記第3半導体領域を囲む必要はない。本発明の半導体デバイスの製造方法は、
(6)
前記第4半導体領域に該第3半導体領域を囲む平面図形に開口部を有する場合は、該開口部の最短距離の寸法は前記第3半導体領域を囲む内周辺長の1/10以下であれば実現できる。
(7)
この電流増幅率の増加の抑制を実現するためには、第4半導体領域の不純物濃度が第2半導体領域に対して10倍以上あればよい。
第2半導体領域表面内に接して設けられた第3半導体領域である。また、140は、前記第3半導体と離間して前記第2半導体表面内に接して設けられた第4半導体領域である。前記第4
半導体領域は、グラフトベースと異なり前記第3半導体領域の下側には埋設されていない
。133は第3半導体領域への、143は第4半導体領域への前記絶縁膜111に設けられたコンタ
クトホールである。各領域への電極は複雑を避けるために省略してある。
ータ、前記第3半導体領域の表面不純物濃度は約9E20原子/cc、第3厚さは0.5マイクロメータ以下のサブマイクロメータ、第4半導体領域140の表面不純物濃度は1E20原子/ccとし、
第4厚さは第3厚さより小さく設定して、CMOSプロセスを使って図2、図3に示す本発明の半導体デバイスを作成した。
存性を示す。この半導体デバイスでは、前記第2半導体領域への電流において1pAから既
に電流増幅率が示される。この半導体デバイスの電流増幅率は、前記第2半導体領域の電
流1pAから1000000pA(1μA)までの6桁の電流変化に対して、24から28までしか増加して
いない。一方、図4の曲線12は、図2で前記第4半導体領域140を除いた構造の半導体デバイスの電流増幅率を示し、該デバイスの電流増幅率は、前記第2半導体領域への電流における1pAから1000000pAまでの電流変化に対して、26から54まで2倍以上変化している。こ
の比較により、本発明の第4半導体領域が電流増幅率の変化を大幅に抑制していることが
実証された。
表面間をバイパスするリークチャネルが前記第2半導体領域の第2表面に出来て電流増幅率が1以下等著しく減少する可能性が大きい。第4半導体領域を設けることにより、このリークチャンネルを遮断するので、微小電流領域でも電流増幅利率確保する効果がある。
。120-1は、このホトダイオードに連続した第1増幅トランジスタの第2半導体領域(第1ベース)である。130-1は、第3半導体領域(第1エミッタ)である。140-1は、第4半導体領
域である。120-2は、第2増幅トランジスタの第2半導体領域(第2ベース)である。130-2
は、第2増幅トランジスタの第3半導体領域(第2エミッタ)である。140-2は、第2増幅ト
ランジスタの第4半導体領域である。
記第4半導体領域140-2と連続しているから、前記第1増幅トランジスタの第3半導体領域130-1(第1エミッタ)と接続されている。
電極32が接続されている。増幅率は個々の増幅トランジスタの電流増幅率の積となる。
前記第2半導体領域120-0および120-1との間の接合容量から光電流で放電された電荷を再
充電するパルス電流が引出電極32から増幅されて取り出される。
第3半導体領域130-2から得られる直流出力電流Iout2(ピコアンペア)を示す。前記第1半導体領域と第3半導体領域130-2間には1.5Vの電圧与えた。光源はHeNeレーザーである。図7に示されるように、光入力エネルギーPに対してほぼ線形に近い出力電流Iout2が得られている。Iout2をPのn乗に比例するとして表現すると、n=1.07と1に近い特性が得られた。
14:第4半導体領域を設けた本発明の半導体デバイスの電流増幅率の電流依存性を示す曲線
32:電極
34:薄膜配線
44:第4半導体領域開口部最小寸法
110:第1半導体領域
111:第1絶縁膜
120:第2半導体領域
120-0:光電変換用の第2半導体領域
120-1:第1増幅トランジスタの第2半導体領域
120-2:第2増幅トランジスタの第2半導体領域
130:第3半導体領域
130-1:第1増幅トランジスタの第3半導体領域
130-2:第2増幅トランジスタの第3半導体領域
133:第3半導体領域へのコンタクトホール
133-1:第1増幅トランジスタの第3半導体領域へのコンタクトホール
133-2:第2増幅トランジスタの第3半導体領域へのコンタクトホール
140:第4半導体領域
143:第4半導体領域へのコンタクトホール
143-2:第2増幅トランジスタの第4半導体領域へのコンタクトホール
Claims (7)
- 第1表面と第1厚さを有する第1導電形の第1半導体領域を形成し、
第2表面と第2厚さを有し、該第1導電形に対して逆導電形の第2半導体領域を該第1表面部分で該第1半導体領域に接して形成し、
第3表面と第3厚さを有し、該第1導電形で第2半導体領域より不純物濃度が大きい第3半導体領域を該第2表面部分で該第2半導体領域と接して形成して、半導体素子を形成し、
更に該半導体素子に第4表面と第4厚さを有する該第1導電形に対して逆導電形の第4半導体領域を、該第2表面部分で該第2半導体領域と接するように形成し、
該第4半導体領域を、該第3半導体領域から該第2半導体領域の少数キャリア拡散長以内に離間して該第3半導体領域を囲む平面図形で形成し、
かつ、該第4半導体領域の不純物濃度を該第2半導体領域より大きくした
ことを特徴とする電流増幅率の電流変化に対する変化の抑制方法。 - 前記第4半導体領域に該第3半導体領域を囲む平面図形に開口部を設け、
該開口部の最短距離の寸法は前記第3半導体領域を囲む内周辺長の1/10以下であることを特徴とする請求項1記載の電流増幅率の電流変化に対する変化の抑制方法。 - 前記第4半導体領域の表面不純物濃度は前記第2半導体領域の表面不純物濃度の10倍以上とすることを特徴とする請求項1記載の電流増幅率の電流変化に対する変化の抑制方法。
- 第1表面と第1厚さを有する第1導電形の第1半導体領域と、
第2表面と第2厚さを有し、該第1表面部分で該第1半導体領域に接して設けられた該第1導電形に対して逆導電形の第2半導体領域と、
第3表面と第3厚さを有し、該第2表面部分で該第2半導体領域と接して設けられた該第1導電形で第2半導体領域より不純物濃度が大きい第3半導体領域と、
第4表面と第4厚さを有し、該第2表面部分で該第2半導体と接して設けられた該第1導電形に対して逆導電形の第4半導体領域とから少なくとも構成され、
該第4半導体領域は該第3半導体領域を離間して囲み、
該第4半導体領域は該第3半導体領域から該第2半導体領域の少数キャリア拡散長以内
に離間して設け、
かつ、該第4半導体領域の不純物濃度を該第2半導体領域より大きくした
ことを特徴とする光電変換素子。 - 第1表面と第1厚さを有する第1導電形の第1半導体領域を形成し、
第2表面と第2厚さを有し、該第1表面部分で該第1半導体領域に接して設けられた該第1導電形に対して逆導電形の第2半導体領域を形成し、
第3表面と第3厚さを有し、該第2表面部分で該第2半導体領域と接して設けられた該第1導電形の第3半導体領域を形成し、
該第3半導体領域の不純物濃度を、該第3半導体領域と接して設けられた該第2半導体領域より大きくし、
第4表面と第4厚さを有し、該第2表面部分で該第2半導体と接して設けられた該第1導電形に対して逆導電形の第4半導体領域を形成し、
該第4半導体領域は該第3半導体領域から該第2半導体領域の少数キャリア拡散長以内に離間して該第3半導体領域を囲む平面図形で設け、
かつ、該第4半導体領域の不純物濃度を該第2半導体領域より大きくする
ことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 - 前記第4半導体領域に該第3半導体領域を囲む平面図形に開口部を設け、
該開口部の最短距離の寸法は前記第3半導体領域を囲む内周辺長の1/10以下であることを特徴とする請求項5記載の半導体デバイスの製造方法。 - 前記第4半導体領域の表面不純物濃度は前記第2半導体領域の表面不純物濃度の10倍以上とすることを特徴とする請求項5記載の半導体デバイスの製造方法。
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