JP7247822B2 - Light receiving element - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、受光素子に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a light receiving element.
非特許文献1に開示されているような、シリコン(Si)上に受光膜であるゲルマニウム(Ge)が積層された、横型アバランシェフォトダイオードが知られている。このフォトダイオードでは、シリコンのPN接合によってアバランシェ領域が形成されている。また、P型シリコン上にゲルマニウムの受光膜が直接に形成されている。
A lateral avalanche photodiode in which germanium (Ge), which is a light-receiving film, is laminated on silicon (Si), as disclosed in Non-Patent
ゲルマニウムは、格子欠陥がアクセプタとして働くため、P型半導体となる。よって、P型シリコンとゲルマニウムの接合は、P型同士の接合となる。ゲルマニウムの方がシリコンよりナローバンドな半導体であるため、シリコンの方がポテンシャルエネルギーが高い。すると、ゲルマニウムとシリコンのP型同士の接合部には、電位障壁が発生してしまう。換言すると、接合部の伝導帯側にバンド不連続が存在し、この部分で電圧ドロップが発生してしまう。そのため、アバランシェ増幅を発現させるために必要な電圧が高くなってしまう(例えば、40V程度)。 Germanium is a P-type semiconductor because lattice defects act as acceptors. Therefore, a junction between P-type silicon and germanium is a junction between P-types. Since germanium is a narrower band semiconductor than silicon, silicon has higher potential energy. Then, a potential barrier is generated at the junction between the P-types of germanium and silicon. In other words, a band discontinuity exists on the conduction band side of the junction, and a voltage drop occurs at this portion. As a result, the voltage required to develop avalanche amplification becomes high (for example, about 40 V).
本明細書が開示する受光素子は、第1電極から、第1のP型シリコン、P型ナローギャップ半導体で形成された光吸収層、第1のN型シリコン、第2のP型シリコン、第2のN型シリコンをこの順に経由して第2電極へ至る電流経路を備えている。第1のP型シリコンおよび光吸収層は第1のN型シリコンと接している。第2のN型シリコンは第2のP型シリコンによって第1のN型シリコンから隔離されている。第1電極は第1のP型シリコンに接続している。第2電極は第2のN型シリコンに接続している。第1のP型シリコンと第1のN型シリコンとの間の第1の静電容量、および、光吸収層と第1のN型シリコンとの間の第2の静電容量の合成容量は、第2のP型シリコンと第2のN型シリコンとの間の第3の静電容量よりも大きい。 The light receiving element disclosed in this specification includes, from a first electrode, a first P-type silicon, a light absorption layer formed of a P-type narrow gap semiconductor, a first N-type silicon, a second P-type silicon, a second 2 N-type silicon in this order to reach the second electrode. The first P-type silicon and the light absorbing layer are in contact with the first N-type silicon. The second N-type silicon is separated from the first N-type silicon by a second P-type silicon. A first electrode is connected to the first P-type silicon. A second electrode is connected to the second N-type silicon. A combined capacitance of a first capacitance between the first P-type silicon and the first N-type silicon and a second capacitance between the light absorption layer and the first N-type silicon is , a third capacitance between the second P-type silicon and the second N-type silicon.
P型ナローギャップ半導体で形成された光吸収層は、第1のN型シリコンと接している。P型ナローギャップ半導体とN型シリコンとの接合であるため、P型同士の接合に比して、電位障壁を小さくすることができる。よって、アバランシェ増幅を発現させるために必要な電圧を低下させることができる。また、第1の静電容量および第2の静電容量の合成容量は、第3の静電容量よりも大きい。第1の静電容量および第2の静電容量の合成容量と第3の静電容量とは、電流経路上に直列に存在している。すると、第1電極と第2電極との間に印加された電圧は、主に、容量の低い第3の静電容量の側に分圧される。すなわち、第2のP型シリコンと第2のN型シリコンとの接合部に、優先的に電圧を印加することができる。その結果、第2のP型シリコンと第2のN型シリコンとの接合部でアバランシェ増幅を発現させるために必要な電圧を、低下させることが可能となる。 A light absorption layer made of a P-type narrow gap semiconductor is in contact with the first N-type silicon. Since it is a junction between a P-type narrow gap semiconductor and an N-type silicon, a potential barrier can be reduced compared to a junction between P-types. Therefore, the voltage required to develop avalanche amplification can be lowered. Also, the combined capacitance of the first capacitance and the second capacitance is greater than the third capacitance. The combined capacitance of the first capacitance and the second capacitance and the third capacitance are present in series on the current path. Then, the voltage applied between the first electrode and the second electrode is mainly divided to the side of the third capacitance having a lower capacitance. That is, voltage can be preferentially applied to the junction between the second P-type silicon and the second N-type silicon. As a result, it is possible to reduce the voltage required to develop avalanche amplification at the junction between the second P-type silicon and the second N-type silicon.
第1の静電容量は第2の静電容量よりも大きくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The first capacitance may be greater than the second capacitance. Details of the effect will be described in Examples.
光吸収層と第1のN型シリコンとの接合面積は、光吸収層の面積よりも小さくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The junction area between the light absorption layer and the first N-type silicon may be smaller than the area of the light absorption layer. Details of the effect will be described in Examples.
また、本明細書が開示する受光素子は、第1のP型領域および第2のP型領域およびN型領域が形成されているN型シリコン基板と、P型ナローギャップ半導体層と、第1電極と、第2電極と、を備える。第1のP型領域は、N型シリコン基板の表層部に形成されている。N型領域は、N型シリコン基板の表層部に形成されるとともに第1のP型領域とは離れて形成されている。第2のP型領域は、N型領域をN型シリコン基板から隔離するようにN型領域の側面および底面を覆って形成されている。第2のP型領域は、第1のP型領域とは離れて形成されている。P型ナローギャップ半導体層はN型シリコン基板の上方に配置されている。P型ナローギャップ半導体層の下面の少なくとも一部が、第1のP型領域の表面およびN型のシリコン基板の表面の両方に接している。第1電極は、第1のP型領域の一部またはP型ナローギャップ半導体層の一部に接続している。第2電極は、N型領域の一部に接続している。第1のP型領域とN型シリコン基板との間の第1の静電容量、および、P型ナローギャップ半導体層とN型シリコン基板との間の第2の静電容量の合成容量は、第2のP型領域とN型領域との間の第3の静電容量よりも大きい。効果の詳細は実施例で説明する。 Further, the light receiving element disclosed in this specification includes an N-type silicon substrate in which a first P-type region, a second P-type region and an N-type region are formed, a P-type narrow gap semiconductor layer, a first An electrode and a second electrode are provided. The first P-type region is formed in the surface layer of the N-type silicon substrate. The N-type region is formed on the surface layer of the N-type silicon substrate and is formed apart from the first P-type region. A second P-type region is formed over the sides and bottom of the N-type region to isolate the N-type region from the N-type silicon substrate. The second P-type region is formed apart from the first P-type region. A P-type narrow gap semiconductor layer is arranged above the N-type silicon substrate. At least part of the lower surface of the P-type narrow gap semiconductor layer is in contact with both the surface of the first P-type region and the surface of the N-type silicon substrate. The first electrode is connected to part of the first P-type region or part of the P-type narrow gap semiconductor layer. The second electrode is connected to part of the N-type region. A combined capacitance of a first capacitance between the first P-type region and the N-type silicon substrate and a second capacitance between the P-type narrow gap semiconductor layer and the N-type silicon substrate is Greater than a third capacitance between the second P-type region and the N-type region. Details of the effect will be described in Examples.
N型シリコン基板の垂直上方視において、P型ナローギャップ半導体層の下面とN型のシリコン基板の表面との接合面積は、P型ナローギャップ半導体層の上面の面積よりも小さくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 When the N-type silicon substrate is viewed vertically from above, the junction area between the lower surface of the P-type narrow gap semiconductor layer and the surface of the N-type silicon substrate may be smaller than the area of the upper surface of the P-type narrow gap semiconductor layer. Details of the effect will be described in Examples.
N型シリコン基板の垂直上方視において、N型領域の面積は、第1のP型領域の面積よりも小さくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 When viewed vertically from above the N-type silicon substrate, the area of the N-type region may be smaller than the area of the first P-type region. Details of the effect will be described in Examples.
(受光素子1の構造)
図1(A)に、受光素子1の上面図を示す。図1(B)に、図1(A)のB-B線における断面図を示す。受光素子1は、シリコン基板を用いて作成されたデバイスである。受光素子1は、ゲルマニウム層30を受光膜とした、ヘテロ接合フォトダイオードである。受光素子1は、N型シリコン基板10、絶縁層20、パッシベーション層25、ゲルマニウム層30、第1電極40、第2電極50、を備える。N型シリコン基板10は、第1P型領域11、第2P型領域12、N型領域13を備える。図1(A)の上面図では、第1P型領域11およびN型領域13を点線で示している。
(Structure of light receiving element 1)
FIG. 1A shows a top view of the light receiving
絶縁層20は、N型シリコン基板10の表面に配置されている。N型シリコン基板10の上方には、絶縁層20を介して、ゲルマニウム層30が配置されている。絶縁層20は酸化シリコンである。絶縁層20の膜厚T1は、1マイクロメートル以下である。パッシベーション層25は、受光素子1の表面を保護するように配置されている。パッシベーション層25は、ゲルマニウム層30で吸収される波長の光を透過する絶縁体であればよい。本実施例では、パッシベーション層25は酸化シリコンである。絶縁層20は、第1開口部21、第2開口部22、第1電極開口部23、第2電極開口部24を備えている。図1(A)の上面図では、第1開口部21および第2開口部22に対応する領域を、点線およびグレーの塗りつぶしで示している。
The insulating
第1開口部21は、ゲルマニウム層30の中央近傍に配置されている。図1(B)に示すように、ゲルマニウム層30は、絶縁層20の表面、第1開口部21の内部、第2開口部22の内部、に配置されている。図1(A)に示すように、ゲルマニウム層30は、第1開口部21を中心とした円形状である。第1開口部21の内部に配置されているゲルマニウム層30は、第1開口部21の底部において、N型シリコン基板10とヘテロPN接合領域R1を形成している。第2開口部22は、第1開口部21の周囲を取り囲むトレンチ形状である。第2開口部22の内部に配置されているゲルマニウム層30は、第1P型領域11の表面と接合している。これにより、ゲルマニウム層30は、コンタクト領域として機能する第1P型領域11を介して、第1電極40に電気的に接続されている。換言すると、ゲルマニウム層30の下面の一部が、N型シリコン基板10の表面および第1P型領域11の表面の両方に接している。
The
ゲルマニウム層30は真性半導体である。しかしゲルマニウムは、不純物が添加されていなくても、格子欠陥がアクセプタとして働く。そして、シリコンとゲルマニウムの格子不整合に起因して、ゲルマニウムの欠陥密度は高い。よってゲルマニウム層30は、ホール密度が1017cm-3後半から1018cm-3台の、高濃度のP型半導体として機能する。従ってヘテロPN接合領域R1は、PNダイオードとして機能する。
N型シリコン基板10を垂直上方から見たときに、ヘテロPN接合領域R1の面積A1は、絶縁層20の表面に配置されているゲルマニウム層30の面積A2よりも小さい。これにより図1(B)に示すように、ゲルマニウム層30の断面形状が、略「T字」形状となっている。ゲルマニウム層30は、少なくともヘテロPN接合領域R1近傍において、単結晶である。これにより、多結晶ゲルマニウムでヘテロPN接合を形成する場合に比して、リーク電流を抑制できるため、受光素子1の特性を高めることができる。
When N-
ゲルマニウム層30の膜厚T2は、厚いほど受光効率が高くなるが、素子を作成する際の段差が大きくなり配線の段切れ問題を起こしやすくなる。従って、受光効率と配線の信頼性とのバランスを考慮して、膜厚T2を定めればよい。本実施形態では、膜厚T2は1マイクロメートル程度とした。
The greater the film thickness T2 of the
N型シリコン基板10の不純物はリンであり、その濃度は1×1017cm-3以下である。N型シリコン基板10の表層部には、第1P型領域11、第2P型領域12、N型領域13が形成されている。第1P型領域11の不純物はボロンであり、その濃度は1×1018cm-3以上である。第1P型領域11は、N型シリコン基板10によってヘテロPN接合領域R1から隔てられている。N型シリコン基板10を垂直上方(+Z方向)から見たときに、第1P型領域11は、第1開口部21の周囲を取り囲むように配置されている。第1電極40は、第1電極開口部23を介して第1P型領域11の一部と接続している。第1電極40はアルミニウム(Al)であり、第1P型領域11とオーミック接触している。
The impurity of the N-
N型領域13は、N型不純物濃度がN型シリコン基板10よりも高い領域である。N型領域13の不純物はリンまたはヒ素であり、その濃度は1×1018cm-3以上である。図1(A)に示すように、N型シリコン基板10を垂直上方(+Z方向)から見たときに、N型領域13の面積(点線の円の面積)は、第1P型領域11の面積(第1P型領域11を示す点線で囲われた領域の面積)よりも小さい。
The N-
第2P型領域12は、N型領域13を第1P型領域11およびN型シリコン基板10から隔離するように、N型領域13の側面および底面を覆って形成されている。第2P型領域12は、第1P型領域11とは離れて形成されている。第2電極50は、第2電極開口部24を介してN型領域13の一部と接続している。第2電極50はアルミニウム(Al)であり、N型領域13とオーミック接触している。
The second P-
(静電容量および電流経路の説明)
第1P型領域11とN型シリコン基板10との間には、静電容量C1が存在する。ゲルマニウム層30とN型シリコン基板10との間には、静電容量C2が存在する。第2P型領域12とN型領域13との間には、静電容量C3が存在する。図1(B)には、これらの静電容量C1~C3を点線で示している。静電容量C1が静電容量C2よりも大きい関係が成立している。これは、第1P型領域11の面積(図1(A)において、第1P型領域11を示す点線で囲われた領域の面積)が、ヘテロPN接合領域R1の面積(図1(A)において、第1開口部21に対応するグレーの塗りつぶし領域の面積)に比して大きいためである。
(explanation of capacitance and current path)
A capacitance C1 exists between the first P-
また、第1P型領域11とゲルマニウム層30はともにP型であり同電位となる。よって、静電容量C1と静電容量C2とは、電流経路に並列に配置されていることになるため、両者を合成して合成容量CCにすることができる。そして合成容量CCが、静電容量C3よりも大きい関係が成立している。この関係は、N型領域13の面積(図1(A)の点線の円の面積)を、第1P型領域11の面積に比して十分に小さくすることで成立させることができる。なお、受光素子1は横型の素子であるため、第1P型領域11やゲルマニウム層30の面積とは無関係に、N型領域13の面積を小さく設計することが可能である。
Also, the first P-
図2に、受光素子1における電流経路CPを示す。電流経路CPは、第1電極40から、第1P型領域11、ゲルマニウム層30(光吸収層)、N型シリコン基板10、第2P型領域12、N型領域13をこの順に経由して第2電極50へ至る経路である。そして電流経路CP上には、前述した合成容量CCおよび静電容量C3が直列に存在している。
FIG. 2 shows a current path CP in the
(比較例の受光素子100の動作)
本実施例の受光素子1の動作を説明する前に、図3に示す比較例の受光素子100の動作を説明する。受光素子100は、P型シリコン基板110上にゲルマニウム層130(光吸収層)が直接に形成されている。P型シリコン基板110とゲルマニウム層130の接合は、P型同士の接合となる。第1電極140は、ゲルマニウム層130の外周部の側面および上面に配置されている。なお、比較例の受光素子100と実施例1の受光素子1(図1)とで、同一の構造には同一の符号を付すことで、説明を省略する。
(Operation of light receiving
Before describing the operation of the
図4に、比較例の受光素子100のバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す。図4は、バイアス電圧(第1電極140と第2電極50との間の電圧)が0Vの場合の結果である。横軸は、導電経路の位置を示している。図4の左側から順に、ゲルマニウム層130、P型シリコン基板110、N型領域13、が接続されている。縦軸は、ポテンシャルエネルギーである。
FIG. 4 shows a simulation result of a band diagram of the
ゲルマニウムの方がシリコンよりナローバンドな半導体であるため、シリコンの方がポテンシャルエネルギーが高い。すると、P型シリコン基板110とゲルマニウム層130がP型同士で接合している接合部JC101には、電位障壁PB101が発生してしまう。換言すると、接合部JC101の伝導帯側にバンド不連続が存在し、この部分で電圧ドロップが発生してしまう。光照射によりゲルマニウム層130で発生した電子の、第2電極50側(図4右側)への移動は、電位障壁PB101によって制限される。
Since germanium is a narrower band semiconductor than silicon, silicon has higher potential energy. As a result, a potential barrier PB101 is generated at the junction JC101 where the P-
図5に、10Vの逆バイアス電圧が印加された場合における、比較例の受光素子100のバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す。第1電極140に対して正の電圧を第2電極50に印加した場合に、逆バイアス電圧となる。すなわち、P型シリコン基板110とN型領域13のPN接合に対する逆バイアス電圧である。逆バイアス電圧により、電位障壁の高さは、PB101(図4)からPB102(図5)へ引き下げられる。
FIG. 5 shows simulation results of a band diagram of the
比較例の受光素子100の受光時の動作を説明する。ゲルマニウム層130の上面にアイセーフ帯光(例:1550nm、エネルギー:0.8eV)が入射され、光がゲルマニウム層130で吸収されると、電子とホールが発生する。図5において、逆バイアス電圧による電界により、発生した電子は第2電極50側へ移動し、発生したホールは第1電極40側へ移動する。P型シリコン基板110とN型領域13とのPN接合の近傍の高電界領域によって、電子が加速されることで、アバランシェ増幅が生じる。これにより光電流が流れる。
The light receiving operation of the
図6に、比較例の受光素子100の電流電圧特性を示す。横軸は逆バイアス電圧である。縦軸は電流値である。図6に示すように、電流が立ち上がるしきい値電圧Vth1は、約30Vである。しきい値電圧Vth1は、アバランシェ増幅が発現する電圧に相当する。また十分な逆バイアス電圧が印加された状態の電流値は、20~40(μA)程度である。
FIG. 6 shows current-voltage characteristics of the
(実施例1の受光素子1の動作)
次に、図1に示す実施例1の受光素子1の動作を説明する。図7に、実施例1の受光素子1のバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す。図7はバイアス電圧が0Vの場合の結果である。図7の左側から順に、第1P型領域11、ゲルマニウム層30、N型シリコン基板10、第2P型領域12、N型領域13、が接続されている。すなわち、比較例の受光素子100に対して実施例1の受光素子1が異なる点は、ゲルマニウムとP型シリコンとの間にN型シリコンが挿入されている点である。
(Operation of light receiving
Next, the operation of the
P型のゲルマニウム層30は、N型シリコン基板10に接合している。よって、両者の接合部JC1には、電位障壁が形成されない(領域R11)。すなわち、比較例の受光素子100が有している、P型同士のヘテロ接合による電位障壁PB101(図4)をなくすことができる。一方、電流経路上にN型シリコン基板10が存在することにより、N型シリコン基板10と第2P型領域12とのPN接合JC2によって、電位障壁PB1が形成されてしまう。よって、光照射によりゲルマニウム層30で発生した電子の、第2電極50側(図7右側)への移動は、電位障壁PB1によって制限される。
The P-
図8に、10Vの逆バイアス電圧が印加された場合における、実施例1の受光素子1のバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す。逆バイアス電圧により、電位障壁PB1の高さは、PB1(図7)からPB2(図8)へ大きく引き下げられる。一方、接合部JC1のポテンシャル差(領域R11)はほとんど変化しない。この理由を説明する。図2で前述したように、電流経路CP上には、合成容量CCおよび静電容量C3が直列に存在している。よって、第1電極40と第2電極50との間に印加された逆バイアス電圧は、合成容量CCと静電容量C3とで分圧される。そして前述したように、合成容量CCは静電容量C3よりも大きい。よって、容量の低い静電容量C3の側に、逆バイアス電圧の大部分が印加される。その結果、静電容量C2を有する接合部JC1(図7および図8の領域R11参照)には、ほとんど電圧が印加されない。すなわち、第2P型領域12とN型領域13との接合部に、優先的に逆バイアス電圧を印加することができる。
FIG. 8 shows simulation results of a band diagram of the
これにより、第1の効果として、ゲルマニウム層30とN型シリコン基板10との接合部JC1(図7および図8の領域R11参照)のポテンシャル差を変化させずに、第2P型領域12とN型領域13との接合部の近傍に形成される電位障壁PB1を選択的に引き下げることができる。よって、光照射によりゲルマニウム層30で発生した電子を、第2電極50側(図8右側)へ移動可能にすることができる。第2の効果として、第2P型領域12とN型領域13との接合部に優先的に逆バイアス電圧を印加できるため、従来の受光素子100に比して低い逆バイアス電圧で、第2P型領域12とN型領域13との接合部に高電界領域を発生させることができる。アバランシェ増幅を発生させるために必要な逆バイアス電圧の値を、引き下げることができる。
Thereby, as a first effect, the second P-
図9に、実施例1の受光素子1の電流電圧特性を示す。図9に示すように、電流が立ち上がる(アバランシェ増幅が発現する)しきい値電圧Vth2は、約2.4Vである。アバランシェ増幅を発現させるために必要な電圧を、比較例の受光素子100のしきい値電圧Vth1(30V)に比して、1/10以下にすることができる。また十分な逆バイアス電圧が印加された状態の電流値は、200(mA)以上である。比較例の受光素子100の電流値(20~40(μA))に比して、約一万倍にすることができる。
FIG. 9 shows the current-voltage characteristics of the
(効果)
自律走行車やADAS(Advanced driver-assistance systems)では、周辺環境認識のために、赤外線カメラやLiDAR(Light Detection and Ranging)システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光(1300nm~1600nm光)を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、シリコンのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、ナローバンドギャップ半導体(例:ゲルマニウム)を用いて受光素子を作成する必要があった。受光素子はゲルマニウム基板等を用いて作成し、信号処理回路はシリコン基板を用いて作成すると、受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。本明細書に記載の受光素子1は、シリコンプロセスにゲルマニウム膜を堆積する工程等を追加するだけで、ゲルマニウム層30(光吸収層)を形成できる。受光膜と信号処理回路を、Si基板にモノリシックに集積化することができる。アイセーフ帯光に対応した受光システムの製造コストを、削減することが可能となる。
(effect)
Autonomous vehicles and ADAS (Advanced driver-assistance systems) use infrared cameras and LiDAR (Light Detection and Ranging) systems to recognize the surrounding environment. For safety reasons, these systems preferably use eye-safe band light (1300 nm to 1600 nm light). However, since the eye-safe band light has energy lower than the bandgap energy of silicon, it was necessary to create a light receiving element using a narrow bandgap semiconductor (eg germanium). If the light-receiving element is made using a germanium substrate or the like and the signal processing circuit is made using a silicon substrate, it is necessary to mount a plurality of chips on the light-receiving system, which leads to an increase in cost. In the
ゲルマニウムを、N型のシリコンに接合すれば、P型同士のヘテロ接合による電位障壁PB101(図4)をなくすことができるため、受光素子の感度を高めることができる。しかし、リーク電流が多くなってしまう。本明細書に記載の受光素子1は、ヘテロPN接合領域R1の面積A1(図1)が、受光膜であるゲルマニウム層30の面積A2よりも小さい構造を備えている。リーク電流密度はヘテロ接合面積に依存するため、ヘテロPN接合領域R1の面積A1を小さくすることにより、リーク電流を低減することができる。また、受光膜の面積A2をヘテロPN接合領域R1の面積A1に比して大きくすることで、感度の低下を抑制することができる。なお、面積A1の値は、リーク電流の許容値に応じて適宜定めることができる。また、面積A1に対する面積A2の比を大きくすることに従って感度が上昇するが、ある所定比を超えると感度の上昇は飽和する。従って、感度の飽和点を超えない程度に、面積比を高めればよい。
If germanium is joined to N-type silicon, the potential barrier PB101 (FIG. 4) due to the heterojunction between P-types can be eliminated, so the sensitivity of the light receiving element can be enhanced. However, leakage current increases. The
本明細書に記載の技術では、合成容量CCが静電容量C3よりも大きい関係を有することで、第2P型領域12とN型領域13との接合部に、優先的に逆バイアス電圧を印加することができる。これにより、従来の受光素子に比して低い逆バイアス電圧で、電位障壁PB1を引き下げるとともに、高電界領域を発生させることができる。アバランシェ増幅を発現させるために必要な電圧を、従来の受光素子よりも引き下げることが可能となる。
In the technique described in this specification, the reverse bias voltage is preferentially applied to the junction between the second P-
図10(A)に、実施例2に係る受光素子1aの上面図を示す。図10(B)に、図10(A)のB-B線における断面図を示す。実施例2の受光素子1aは、実施例1の受光素子1(図1)のゲルマニウム層30の下面の構造を異ならせた素子である。図1(A)の上面図では、第1P型領域11およびN型領域13を点線で示している。実施例2の受光素子1aに特有の構造については、符号の末尾に「a」を付すことで区別する。また実施例1の受光素子1と実施例2の受光素子1aとで、同一の構造には同一の符号を付すことで、説明を省略する。
FIG. 10A shows a top view of the
絶縁層20aは、開口部26aを備えている。ゲルマニウム層30aは、開口部26aの内部に配置されている。開口部26aの底部において、ゲルマニウム層30aの下面の全面が、N型シリコン基板10および第1P型領域11と接している。ゲルマニウム層30aとN型シリコン基板10との接合領域には、ヘテロPN接合領域R1aが形成されている。図10(A)の上面図では、ヘテロPN接合領域R1aに対応する領域を、点線およびグレーの塗りつぶしで示している。またゲルマニウム層30aの下面において、ヘテロPN接合領域R1a以外の領域は、コンタクト領域として機能する第1P型領域11を介して、第1電極40に電気的に接続されている。
The insulating
N型シリコン基板10を垂直上方から見たときに、ヘテロPN接合領域R1aの面積A1a(グレーの塗りつぶし領域の面積)は、絶縁層20の表面に配置されているゲルマニウム層30aの上面の面積A2よりも小さい。
When the N-
第1P型領域11とN型シリコン基板10との間には、静電容量C1が存在する。ゲルマニウム層30aとN型シリコン基板10との間には、静電容量C2が存在する。第2P型領域12とN型領域13との間には、静電容量C3が存在する。図10(B)には、これらの静電容量C1~C3を点線で示している。実施例1と同様に、静電容量C1が静電容量C2よりも大きい関係が成立している。また、静電容量C1と静電容量C2との合成容量CCが、静電容量C3よりも大きい関係が成立している。
A capacitance C1 exists between the first P-
(効果)
実施例2に係る受光素子1aにおいても、合成容量CCが静電容量C3よりも大きい関係を有することで、第2P型領域12とN型領域13との接合部に、優先的に逆バイアス電圧を印加することができる。アバランシェ増幅を発現させるために必要な電圧を、従来の受光素子よりも引き下げることが可能となる。また、ヘテロPN接合領域R1aに比して受光膜(ゲルマニウム層30aの上面)の方が面積が広い形状を有している。よって、感度を低下させずに、リーク電流を低減することが可能となる。
(effect)
Also in the light-receiving
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. In addition, the technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.
(変形例)
ゲルマニウム層の成膜方法は、様々であってよい。例えば、非晶質ゲルマニウムを堆積させた後に、アニールによりN型シリコン基板10を種結晶とした固相結晶成長を行うことで単結晶化してもよい。また、シリコン上にゲルマニウムをエピタキシャル成長させてもよい。
(Modification)
The method of depositing the germanium layer may vary. For example, after depositing amorphous germanium, single crystallization may be performed by performing solid-phase crystal growth using the N-
ゲルマニウム層の断面形状は、T字に限られない。ヘテロPN接合領域の面積が、受光膜の面積よりも小さい構造であれば、何れの断面形状であってもよい。またシリコン基板の垂直上方視において、ヘテロPN接合領域の配置位置は、ゲルマニウム層の中心に限らず、任意の位置に配置可能である。 The cross-sectional shape of the germanium layer is not limited to the T shape. Any cross-sectional shape may be employed as long as the area of the hetero PN junction region is smaller than the area of the light-receiving film. In addition, when the silicon substrate is viewed vertically from above, the arrangement position of the hetero PN junction region is not limited to the center of the germanium layer, and can be arranged at any position.
シリコン基板の垂直上方視におけるゲルマニウム層の形状は、円形に限られず、様々な形状であってよい。 The shape of the germanium layer in the vertically upward view of the silicon substrate is not limited to circular, and may be various shapes.
本実施例における第1電極40の形状は一例である。第1電極40は、ゲルマニウム層30と電気的に接続されていれば、その形状や配置は任意に設定できる。例えば、第1電極40がゲルマニウム層30の外周に接続している形態であってもよい。
The shape of the
絶縁層20は酸化シリコンに限られず、他の絶縁体を使用可能である。
The insulating
第1P型領域11は、第1のP型シリコンの一例である。ゲルマニウム層30および30aは、光吸収層の一例である。N型シリコン基板10は、第1のN型シリコンの一例である。第2P型領域12は、第2のP型シリコンの一例である。N型領域13は、第2のN型シリコンの一例である。ゲルマニウム層30および30aは、P型ナローギャップ半導体層の一例である。
The first P-
1、1a:受光素子 10:N型シリコン基板 11:第1P型領域 12:第1P型領域 13:N型領域 20、20a:絶縁層 21:第1開口部 22:第2開口部 30、30a:ゲルマニウム層 40:第1電極 50:第2電極 C1~C3:静電容量 CC:合成容量 R1、R1a:ヘテロPN接合領域
Claims (7)
前記第1のP型シリコンおよび前記光吸収層は前記第1のN型シリコンと接しており、
前記第2のN型シリコンは前記第2のP型シリコンによって前記第1のN型シリコンから隔離されており、
前記第1電極は前記第1のP型シリコンに接続しており、
前記第2電極は前記第2のN型シリコンに接続しており、
前記第1のP型シリコンと前記第1のN型シリコンとの間の第1の静電容量、および、前記光吸収層と前記第1のN型シリコンとの間の第2の静電容量の合成容量は、前記第2のP型シリコンと前記第2のN型シリコンとの間の第3の静電容量よりも大きい、受光素子。 From the first electrode, via first P-type silicon, a light absorption layer formed of a P-type narrow gap semiconductor, first N-type silicon, second P-type silicon, and second N-type silicon in this order A light receiving element having a current path leading to the second electrode,
The first P-type silicon and the light absorption layer are in contact with the first N-type silicon,
said second N-type silicon is separated from said first N-type silicon by said second P-type silicon;
The first electrode is connected to the first P-type silicon,
the second electrode is connected to the second N-type silicon,
A first capacitance between the first P-type silicon and the first N-type silicon, and a second capacitance between the light absorbing layer and the first N-type silicon. is larger than a third capacitance between the second P-type silicon and the second N-type silicon.
前記第1のP型領域は、前記N型シリコン基板の表層部に形成されており、
前記N型領域は、前記N型シリコン基板の表層部に形成されるとともに前記第1のP型領域とは離れて形成されており、
前記第2のP型領域は、前記N型領域を前記N型シリコン基板から隔離するように前記N型領域の側面および底面を覆って形成されており、
前記第2のP型領域は、前記第1のP型領域とは離れて形成されており、
前記P型ナローギャップ半導体層は前記N型シリコン基板の上方に配置されており、
前記P型ナローギャップ半導体層の下面の少なくとも一部が、前記第1のP型領域の表面および前記N型のシリコン基板の表面の両方に接しており、
前記第1電極は、前記第1のP型領域の一部または前記P型ナローギャップ半導体層の一部に接続しており、
前記第2電極は、前記N型領域の一部に接続しており、
前記第1のP型領域と前記N型シリコン基板との間の第1の静電容量、および、前記P型ナローギャップ半導体層と前記N型シリコン基板との間の第2の静電容量の合成容量は、前記第2のP型領域と前記N型領域との間の第3の静電容量よりも大きい、受光素子。 A light receiving element comprising an N-type silicon substrate on which a first P-type region, a second P-type region and an N-type region are formed, a P-type narrow gap semiconductor layer, a first electrode, and a second electrode and
The first P-type region is formed in a surface layer portion of the N-type silicon substrate,
The N-type region is formed in a surface layer portion of the N-type silicon substrate and is formed apart from the first P-type region,
the second P-type region is formed to cover the side and bottom surfaces of the N-type region so as to isolate the N-type region from the N-type silicon substrate;
The second P-type region is formed apart from the first P-type region,
The P-type narrow gap semiconductor layer is arranged above the N-type silicon substrate,
at least part of the lower surface of the P-type narrow gap semiconductor layer is in contact with both the surface of the first P-type region and the surface of the N-type silicon substrate;
the first electrode is connected to part of the first P-type region or part of the P-type narrow gap semiconductor layer,
The second electrode is connected to part of the N-type region,
a first capacitance between the first P-type region and the N-type silicon substrate and a second capacitance between the P-type narrow gap semiconductor layer and the N-type silicon substrate; A light receiving element, wherein a combined capacitance is larger than a third capacitance between the second P-type region and the N-type region.
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