JPH01259578A

JPH01259578A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JPH01259578A
Application number: JP63088589A
Authority: JP
Inventors: Masao Makiuchi; 正男牧内
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-04-11
Filing date: 1988-04-11
Publication date: 1989-10-17
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: JP2675574B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕半導体受光素子に関し、特にｐ−１−ｎ構造を有するフ
ォト・ダイオードに関し、高感度かつ高い周波数で動作でき、しかも少ない製造工
程で製造できる半導体受光素子を児供することを目的と
し、基板と、基板上に設けられたｎ型半導体層と、ｎ型半導
体層上に設けられたドープされていない光吸収層と、光
吸収層上に設けられた複数のｎ型半導体層と、各ｎ型半
導体層上に設けられたオーミック・コンタクト層と、各
オーミック・コンタクト層上に設けられた電極とを設け
て構成する。

）　　〔産業上の利用分野〕本発明は半導体受光素子に関し、特にｐ−１−ｎ構造を
有するフォト・ダイオードに関する。

周知のとおり、半導体受光素子はｐ−＋−ｎ構造のもの
とアバランシェ・フォト・ダイオードとに大別される。

〔従来の技術〕

第７図は従来のｐ−１−ｎ構造のフォト・ダイオードの
要部断面図である。同図において、１０はｎ”−１ｎｐ
基板、１１はｎ”−１ｎｐ層、１２はｎ−−１ｎＧａＡ
ｓ光吸収層、１３はｎ−−ＩｎＰ層、１４はＺｎを拡散
して形成された円型のｐ型半導体層、１５はＡｕＺｎの
オーミック・コンタクト層、１６はＡｕＧｅのオーミッ
ク・コンタクト層である。

第８図はＪ、記フォト・ダイオードにバイアスをかけた
状態のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。バイア
スは、電極１５及び１６にそれぞれ負及び正の電源電圧
を印加することで行われる。

光はフォト・ダイオードのｎ型半導体層１４側から入射
する。光はｎ型半導体層１４を透過し、ｎ−−１ｎＧａ
Ａｓ光吸収層１２に入る。ｎ型半導体層１４はそのバン
ドギャップに相当する光を吸収し、電子とホールを生成
する。電子は伝導帯（その下端のエネルギレベルをＥＣ
で示ｔ）中をｎ”−１ｎＰ１１１に向けて走行する。一
方ホールは価電子帯（その上端のエネルギレベルをＥＶ
で示す）中をｎ型半導体層１４に向けて走行する。

そして、最終的にオーミック・コンタクト層１５及び１
６に設けられた電極間で、入射光に対応する電気的出力
が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記ｐ−１−ｎ構造のフォト・ダイオー
ドは、以下の問題点を有する。

第１に、ｎ型電極用のコンタクト層１５とｎ型電極用の
コンタクト層１６とを異なる材料を用いて別々に形成し
なければならないという問題点がある。コンタクト層１
５はｎ型半導体層１４上に設けられるためＡｕＺｎを用
いて形成する必要があり、コンタクト層１６はｎ型半導
体であるｎ＋−ＩｎＰの基板１０上に設けられるためＡ
ｕＧｅを用いて形成する必要がある。

第２に、ｎ型半導体層１４を形成するために、ｎ−−１
ｎＰＷＩ１３内にＺｎを拡散する必要があるため、製造
工程数が多いという問題点がある。

第３に、コンタクト層１５の周囲には図示しないＡＵ電
極や配線ラインが設けられる。従って、光が入射するｐ
型半導体ｍ１４の径（通常、ｎ型半導体層１４は円形に
作られる）は図示する場合よりも狭くなる。従って、ｎ
型半導体層１４の径は予め大きく作っておかなければな
らない。例えば、２０μｍの受光径を必要とする場合に
は、少なくともｎ型半導体層１４の径を３５μｍ程度す
る必要がある。ｎ型半導体層１４はｎ”−ＩｎＰ層１１
とコンデンサを形成するので、ｎ型半導体層１４の径が
大きくなればなる程、キャパシタンスが増える。キャパ
シタンスが増えると、フォト・ダイオードのカットオフ
周波数が低下する。従って、従来のフォト・ダイオード
では動作可能な周波数に限界がある。尚、カットオフ周
波数を上げるためｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の厚
みを増大させることも考えられるが、このようにすると
キャリアが走行する距離が増えるので、応答速度は遅く
なる。

従って、本発明は上記問題点を解決し、高感度かつ高い
周波数で動作でき、しかも少ない製造工程で製造できる
半導体受光素子を提供することを目的とする。

〔課題を解決する手段〕

本発明は、基板２０と、基板２ｏ上に設けられたｎ型半
導体層２１と、ｎ型半導体層２１上に設けられたドープ
されていない光吸収層２２と、光吸収層２２上に設けら
れた複数のｎ型半導体層２３と、各ｎ型半導体層２３上
に設けられたオーミック・コンタクト層２４ａ〜２４ｃ
と、各オーミック・コンタクトｆｆ２４ａ〜２４ｃ上に
設けられた電極２６ａ〜２６ｃとを具備して構成される
。

〔作用〕

本発明は光吸収層２２上に設けられた複数のｎ型半導体
層２３上にオーミック・コンタクト層２４ａ〜２４Ｇを
設けているので、オーミック・コンタクト層２４ａ〜２
４ｃを同一の材料で形成できる。

また、光は基板２０側から入射するので、オーミック・
コンタクトＷ２４ａ〜２４Ｇの径を小さくすることがで
きる。

更に、すべてのオーミック・コンタクト１１２４ａ〜２
４ｃは同一側に設けられるため、製造：［程が筒単にな
る。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は、本発明の一実施例の要部断面図である。同図
において、２０は半絶縁性のＩｎＰ又はｎ”−ＩｎＰ基
板、２１はｎ”−１ｎｐのｎ型半導体層、２２はアンド
ープのＩ　ｎＧａＡｓ層で構成される光吸収層、２３は
ｐ”　−１ｎＧａＡＳのｐ’Ｍ半導体層、２４ａ、２４
ｂ及び２４ＣはそれぞれＡｕＺｎのオーミック・コンタ
クト層、２５はＳｉＮ又はＳ！０２の保護膜、２５ａ、
２６ｂ及び２６ＧはそれぞれＡＬＪ電極である。

ここで、主要部のパラメータを示すと、以下のとおりで
ある。

Δ、ｎ”−１ｎＰのｎ型半導体層２１不純物濃度（ｎ）：　２Ｘ１０１８ｃｍ’厚み　　　　
　　：３μｍＢ、１−１ｎＧａＡｓ光吸収層２２不純物濃度（ｎ）：　ＩＸ１ｌＸ１０ｌ５’以下厚み　
　　　　　：１．５μｍＣ，ｐ”−１ｎＧａＡｓのｎ型半導体層２３不純物澹厚み　　　　　　：１μｌＤ．オーミック・コンタクト層２４ａ形状：円形直径＝２０μｍ以下また、第１図中、Ａで示す領域は受光部、Ｂ及びＣで示
す領域はそれぞれ電極部を形成する。受光部Ａと電極部
Ｂ及びＣとの間の幅は１０μｍ以上である。

第２図（Ａ）は、本発明実施例の平面図である。

第１図は、第２図（Ａ）のＩ−Ｉ線方向の拡大断面を示
している。本実施例のフォト・ダイオードは、第２図（
Ａ）に示すように、１つの受光部と４つの電極部（その
オーミック・コンタクト層を２４ｂ〜２４ｅで示す）と
を有している。原理的には１つの受光部と１つの電極部
とを有していれば良いが、本実施例のフォト・ダイオー
ドはフリップデツプ型であって、電子部品が載置される
基板に形成されたパターン上に合わせて設けられるため
、機械的バランスをとるために、複数の電極部を設けて
いる。

第２図（Ｂ）は３点支持の場合の実施例の平面図である
。この場合は１つの受光部（そのオーミック・コンタク
ト層を２４ｆで示す）と、２つの電極部（そのオーミッ
ク・コンタクト層を２４０及び２４ｈで示す）とを有し
ている。第２図（Ｂ）のパターンを用いれば、受光部か
ら延びる配線長を第２図（Ａ）の場合よりも短くできる
ので、より高いカットオフ周波数が得られる。

光は、基板２０側から入射する。従って、受光部Ａのオ
ーミック・コンタクトｌ１１２４ａの径を小さくするこ
とができる。前述したように、オーミック・コンタクト
層２４ａの径は２０μｍ以下に設定できる。動作に際し
ては、受光部Ａのρ“−ＩｎＧａＡｓ／１−１ｎＱａＡ
ｓ／ｎ”−１ｎＰを逆方向にバイアスし、電極部Ｂ及び
Ｃを順方向にバイアスする。勿論、第２図＜Ａ）の他の
電極部（オーミック・コンタクト１２４ｄ及び２４ｅを
有する電極部）も、順方向にバイアスされる。

逆方向にバイアスをかけた状態での受光部Ａのエネルギ
・バンド・ダイヤグラムを第３図に示す。

ｎ型半導体層２３とｉ−半導体層２２とはＩｎＧａＡＳ
を用いているため、エネルギ・ハンドは連続している。

基板２０及びｎ型半導体層２１を透過した光は光吸収層
２２で吸収され、電子とホールが生成される。電子は伝
導帯ＥＣをｎ型半導体層２１方向に進み、ホールは価電
子帯ＥＶをｎ型半導体層２３方向に進む。

第４図は、本発明実施例の製造工程の説明図である。ま
ず、クロライドＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を
用いて、第４図（Ａ）に示すように基板２０上に順にｎ
型半導体層２１、光吸収層２２及びｎ型半導体層２３を
成長させる。次に、ｎ型半導体層２３の全面にＡｕＺｎ
層２７を付着させる。

次に、第４図（Ｂ）に示すように、Ａｒを用いたイオン
ビームエツチングでオーミック・コンタクト層２４ａ〜
２４Ｃの部分を除いて、ＡｕＺｎ層２７及びｎ型半導体
層２３をメザエッチングする。そして、オーミック・コ
ンタクトｌＢ２４ａ〜２４Ｇを所定の温度で熱処理して
合金化する。

次に、全面にＳｉＮ等の窒化膜を付着し、ケミカルエツ
ヂングで第４図（Ｃ）に示すように、オーミック・コン
タクト層２４ａ〜２４ｃを露出させる。そして、Ａｕ等
の金属を露出させたオーミック・コンタクト層２４ａ〜
２４Ｃ上に蒸着（通常のフォトリソ工程）して形成する
。このようにして、第４図（Ｄ）に示す構造のフォト・
ダイオードがＷｆＡ造できる。

次に、本発明の他の実施例を第５図を参照して説明する
。第５図（Ａ）はこの他の実施例の要部断面図であり、
第５図（Ｂ）は受光部Ａのエネルギ・バンド・ダイヤグ
ラムである。

第１図に示す実施例ではｎ”−１ｎＰのｎ型半導体層２
１とｉ　−１ｎＧａＡｓの光吸収層２２とは直接接して
いるため、その禁制帯幅の相異から、第３図に示すよう
に界面に段差が生じている。この段差は電子の走行の妨
げとなる。第５図（Ａ）に示す実施例ではこの段差を軽
減するため、ｎ＋−ＩｎＰのｎ型半導体層２１とｉ　−
１ｎＧａＡｓの光吸収Ｗ！Ｊ２２との間に、ＩｎＧａＡ
ＳＰの４元素のグレーデツド層２８を設けている。この
グレーデツド層２８の組成は光吸収層２２の界面でＰの
成分がなく、ｎ型半導体層２１に向うにつれて次第にＰ
の成分が増大する。

第５図（Ｂ）はバイアスをかけた状態の受光部Ａのエネ
ルギ・バンド・ダイヤグラムである。図示するように、
ｎ型半導体層２１と光吸収層２２との間はゆるやかな傾
斜をもって結合している。

従って、伝導帯ＥＣの電子は第３図に示す段差でトラッ
プされることなく、円滑にｎ型半導体層２１内に入るこ
とができる。従って、第１図の構成のフォト・ダイオー
ドよりも一層の高速化及び大光入力化を図ることができ
る。尚、光吸収層２２とｎ型半導体層２３とは同一の材
料で作られているため、エネルギ・レベルは連続してい
る。

上記グレーデツド層２８は組成が連続的に変化するもの
であったが、階段状に変化するものであったとしても効
果はある。

第６図は本発明の更に他の実施例である。同図（Ａ＞は
その要部断面図であり、同図（８）は受光部のエネルギ
・バンド・ダイヤフラムである。

尚、図示するエネルギ・バンド・ダイヤフラムは逆バイ
アスをかけた状態のものである。

この実施例の特徴は、ＩｎＧａＡＳＰのグレーデツド層
２８とｎ＋−１ｎｐのｎ型半導体層２１との間に、ｎ−
−１ｎＰのバッファｌｌ！ｉ２９を設けたことを特徴と
する。第６図（Ａ）に示す実施例でも、光は基板２０側
から入射する。基板２０側から入射して光吸収層２２に
到達した光は主として、グレーデツド層２８の近くで多
くのホールと電子を生成する。逆に、従来の構造では光
を電極側から入射させるため、ｎ型半導体層２３の近く
で多くのボールと電子を生成する。通常、電子はホール
より約２倍の速度で光吸収層２２を走行する。従って、
第５図（Ｂ）で説明すると基板２０側から光を入射した
場合にはボールがｐ＋−Ｉ　ｎＧａＡｓｆｆ１２３に到
達するに要する時間は、電子がｎ”　−ｒ　ｎＰＩＷ２
　ｉに到達するに要する時間より大となる。従って、第
６図の実施例ではバッファ居２９を設けて、電子がｎ”
−ＩｎＰＩ２１に到達する時間を、ホールがｐ”　−１
ｎＧａＡｓ層２３に到達する時間にほぼ一致させている
。このようにすると、実質的に受光部△のキャパシタン
スを下げることができるので、カットオフ周波数は向上
する。

以上、本発明の詳細な説明した。上記各実施例では、Ａ
ＵＺｎのオーミック・コンタクト層上に直接Ａｕ等の電
極を設けた構成であったが、フ耳ト・ダイオードを基板
のパターン上にボンディングで固定する際の加熱により
ＡＵが合金化されたＡｕＺｎに拡散するのを防止するた
め、ＡｕＺｎ上にＴｉ／Ｐｔ／Ｔｉ／’Ｐｔのバリア層
を設け、このバリア層上にＡＵを設けることとしても良
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光吸収層上に設
けられた７ｔＩ数のｎ型半導体層上にオーミック・コン
タクト層を設けているので、オーミック・コンタクト層
を同一の材料で形成できる。

また、光は基板側から入射するので、オーミック・コン
タクト層の径を小さくすることができる。

更に、すべてのオーミック・コンタクト層は同一側に設
けられるため、製造工程が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実席例の要部断面図、第２図は本発
明実施例の平面図、第３図は本発明実施例のエネルギ・バンド・ダイヤフラ
ム、第４図は本発明実施例の製造行程の説明図、第５図は本
発明の他の実施例の説明図、第６図は本発明の更に他の
実施例の説明図、第７図は従来ｏ−ｔ−ｎｆｌ造のフォ
ト・ダイオードの要部断面図、及び第８図は第７図の構造のエネルギ・バンド・ダイヤフラ
ムである。図において、２０は基板、２１はｎ型半導体層、２２は光吸収層、２３はｎ型半導体層、２４ａ、２４ｂ、２４ｃはオーミック・コンタクト層、２５は保護膜、２６ａ、２６ｂ、２６ｃはＡｕ１ｆ極、２７はＡｕＺｎ
層、２８はグレーデツド層、２９はバッファ層を示す。（Ａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　（Ｂ）本溌
睡用実オし伊１の平、ｆｆｉ図第図面２図瑣大壇ｍｌ利の工卑ルギ・バ綱リタ７ヤグンム第３
図

Claims

【特許請求の範囲】　基板（２０）と、基板（２０）上に設けられたｎ型半導体層（２１）と、ｎ型半導体層（２１）上に設けられたドープされていな
い光吸収層（２２）と、光吸収層（２２）上に設けられた複数のｐ型半導体層（
２３）と、各ｐ型半導体層（２３）上に設けられたオーミック・コ
ンタクト層（２４ａ〜２４ｃ）と、各オーミック・コン
タクト層（２４ａ〜２４ｃ）上に設けられた電極（２６
ａ〜２６ｃ）とを具備することを特徴とする半導体受光
素子。