JP7428153B2 - 受光素子 - Google Patents
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Description
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、第1N型領域13、第2N型領域14、を備える。図1(A)の上面図では、第1P型領域11および第1N型領域13を点線で示している。
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と第1N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。
図1に示す実施例1の受光素子1に、逆バイアス電圧が印加された場合における動作を説明する。なお、第1電極40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、ヘテロPN接合領域R1に対する逆バイアス電圧である。
まず、比較例の受光素子100について説明する。比較例の受光素子100は、第2N型領域14を備えない点を除けば、実施例1の受光素子1と同一構造を有している。図3に、比較例の受光素子100における電気特性シミュレーション図を示す。また図4に、比較例の受光素子100における、第1P型領域11および第2P型領域12近傍の断面拡大図を示す。図3の電気特性シミュレーション図では、横軸は第2電極50に印加する電圧V2を示し、縦軸は第2電極50に流れる電流I2を示している。暗電流DC0は、光入力がない場合のノイズ電流である。明電流LC0は、ある光入力がある場合の検出電流である。暗電流DC0と明電流LC0との差がS/N比である。S/N比が高いほど検出感度を高めることができる。
図7に、実施例1の受光素子1において、第2N型領域14の不純物濃度を変化させた場合における、電圧V2の上限電圧UVのシミュレーション結果を示す。図7の横軸は、第2N型領域14の不純物濃度である。縦軸は、第2電極50に印加される電圧V2の上限電圧UVである。電圧V2が上限電圧UV以下であれば、受光素子1がフォトダイオードとして機能することが可能であるため、上限電圧UVは高いことが好ましい。
また図7では、第1P型領域11の不純物濃度が1×1020cm-3であり、第2P型領域12の不純物濃度が1×1018cm-3であり、N型シリコン基板10の不純物濃度が1×1015cm-3である場合を説明している。点P0は、第2N型領域14を形成していない場合の基準上限電圧RUVを示している。
実施例2に係る受光素子1a(図8)は、実施例1に係る受光素子1(図1)の第2N型領域14を、絶縁領域14aに変更した構造を備えている。共通する部位には同一の符号を付すことで、説明を省略する。
図9に、実施例2の受光素子1aにおける電気特性シミュレーション図を示す。図10に、実施例2の受光素子1aにおける、第1P型領域11および第2P型領域12近傍の断面拡大図を示す。図9および図10の内容は、前述した図5および図6の内容と同様である。実施例2の受光素子1aでは、電圧V2が20[V]よりも高くなると暗電流DC1aが上昇し始める。そして電圧V2が28[V]以上となると、暗電流DC1aが明電流LC1aと同程度となり、フォトダイオードとして機能しない。すなわち、実施例2の受光素子1aが安定して動作する電圧V2の範囲VR1aは、6~20[V]であり、比較例の範囲VR0(図3)に比して十分に広くすることができる。
実施例1の受光素子1において、第1P型領域11および第2P型領域12に対する第2N型領域14の配置態様は、様々であってよい。例えば図11に示すように、第2N型領域14は、第1P型領域11および第2P型領域12に接するように配置されていてもよい。
Claims (12)
- 第1のP型領域および第2のP型領域および第1の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、を備える受光素子であって、
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配置されており、
前記第1のN型領域は、前記N型シリコン基板の表層部に配置されるとともに前記第1のP型領域とは離れて配置されており、
前記第2のP型領域は、前記第1の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第1のN型領域の側面および底面を覆って配置されており、
前記第2のP型領域は、前記第1のP型領域から離れて配置されており、
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、前記第1のN型領域の一部に接続しており、
前記N型シリコン基板に配置されているとともに前記第1のP型領域と前記第2のP型領域との間に配置されている特定領域であって、空乏層の広がりを抑制する前記特定領域を備えている、
受光素子。 - 前記特定領域は第2のN型領域を備えており、
前記第2のN型領域の不純物濃度は、前記N型シリコン基板の不純物濃度よりも高い、請求項1に記載の受光素子。 - 前記第2のN型領域は、前記N型シリコン基板の表面に表出している、請求項2に記載の受光素子。
- 前記第2のN型領域は、前記第1のP型領域および前記第2のP型領域から離れて配置されており、
前記第2のN型領域と前記第2のP型領域との距離は、前記第2のN型領域と前記第1のP型領域との距離よりも小さい、請求項2または3に記載の受光素子。 - 前記第2のN型領域は、前記第1のP型領域および前記第2のP型領域に接している、請求項2または3に記載の受光素子。
- 前記特定領域は絶縁体を備えている、請求項1に記載の受光素子。
- 前記特定領域は前記第1のP型領域および前記第2のP型領域の少なくとも一方と接している、請求項6に記載の受光素子。
- 前記N型シリコン基板を垂直上方からみたときに、前記特定領域は溝形状を有しており、
前記特定領域は、前記P型ナローギャップ半導体層と前記第2のP型領域との対向している領域に、前記P型ナローギャップ半導体層と前記第2のP型領域とを分離するように配置されている、請求項1~7の何れか1項に記載の受光素子。 - 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型領域と前記第1のN型領域との間の第3の静電容量よりも大きい、請求項1~8の何れか1項に記載の受光素子。
- 前記第1の静電容量は前記第2の静電容量よりも大きい、請求項9に記載の受光素子。
- 前記N型シリコン基板の垂直上方視において、前記P型ナローギャップ半導体層の下面と前記N型のシリコン基板の表面との接合面積は、前記P型ナローギャップ半導体層の上面の面積よりも小さい、請求項1~10の何れか1項に記載の受光素子。
- 前記N型シリコン基板の垂直上方視において、前記第1のN型領域の面積は、前記第1のP型領域の面積よりも小さい、請求項1~11の何れか1項に記載の受光素子。
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