JPH03183169A - 受光素子およびその製造方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は■−■族化合物半導体を用いた受光素子の構造
および製造方法に関する。

〔概　要〕

本発明は、電極が基板の一方の側に配置される構造の受
光素子において、 電極を同一面内に配置することにより、素子表面の凹凸
を減らし、微細なパターンの素子を形成できるようにす
るものである。

〔従来の技術〕

従来から、高速応答が可能な短波長用受光素子として、
ＧａＡｓ系半導体を用いたショットキーバリアフォトダ
イオードやＰＩＮ　フォトダイオードが開発されている
。

第７図は従来例ショットキーフォトダイオードの斜視図
を示し、第８図はＣ−Ｃ断面図を示す。

このショットキーフォトダイオードは、半絶縁性ＧａＡ
ｓ基板２１上にｎ＋形ＧａＡｓ層２２およびｎ−形Ｇａ
Ａｓ層２３を成長させ、このｎ″形ＧａＡｓ層２３の上
に半透明ショットキー電極２４を設け、この半透明ショ
ットキー電極２４が設けられた以外の部分についてはｎ
−形ＧａＡｓ層２３を除去し、そこにオーミック電極２
５を設けたものである。半透明ショットキー電極２４の
表面には誘電体膜２６が設けられる。

この構造の受光素子の詳細については、ワング他、エレ
クトロニクス・レターズ、第１９巻第１４号、第５５４
頁（Ｓ、Ｙ、Ｗａｎｇ　ｅｔ　ａｌ、、　Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ、Ｌｅｔｔ、、１９（１４）、　５５４　（１９８
３））　　に示されている。

第９図は従来例ＰＩＮフォトダイオードの断面図を示す
。

このＰＩＮフォトダイオードは、半絶縁性ＧａＡｓ基板
３１上にｎ゛形ＧａＡｓ層３２、ｎ形ＧａＡｓ層３３、
イントリンシックＧａＡｓ層３４およびｐ形ＧａＡｓ層
３５をエピタキシャル成長させ、このｐ形ＧａＡｓ層３
５上の一部の領域にオーミック電極３６を設け、このオ
ーミック電極３６が設けられた以外の部分についてはｎ
“形ＧａＡｓ層３２を露出させ、そこにオーミック電極
３７を設けたものである。このＰＩＮフォトダイオード
の周囲は、絶縁分離のため、Ｈのイオン注入により高抵
抗領域３８が形成される。

この構造の受光素子の詳細については、レンス他、アプ
ライド・フィジクス・レターズ、第２巻第１５号、第１
９１頁（Ｌｅｎｔｈ、　ｅｔ　ａｌ、、　Ａｐｐｌ、　
Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、、　２（１５）、　１９１　（１９８５））
　　に示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

受光素子の高速応答性を向上させるためには、素子自体
の静電容量を極力小さくする必要がある。

そのため上述した従来例では、半絶縁性基板上に素子を
形成している。また、素子以外の電極（ワイヤボンディ
ング用パッドなど）は、その部分が静電容量をもたない
ように、表面のＧａＡｓ戊長層成長ツチングにより剥離
した後に形成している。

しかし、ＧａＡｓｔｉ、長層をエツチングすることによ
り表面に凹凸ができ、微細なパターンを有する素子を形
成することが困難である。

本発明は、以上の課題を解決し、受光素子の周辺に凹凸
のない構造の受光素子を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第一の観点はショットキーフォトダイオードで
あり、基板上に形成された第一の半導体層と、この第一
の半導体層上にこの層より低不純物濃度で形成された第
二の半導体層と、この第二の半導体層との間にショット
キー接合を形成するショットキー電極と、第一の半導体
層にオーミックに接続されたオーミック電極とを備えた
受光素子において、第二の半導体層にはオーミック電極
と第一の半導体層とを電気的に接続する高不純物濃度領
域が設けられ、オーミック電極はショットキー電極と実
質的に同一の平面内に形成されたことを特徴とする。

基板として半絶縁性ＧａＡｓ基板を用い、第一の半導体
層としてｎ゛形ＧａＡｓ層を用い、第二の半導体層とし
てｎ−形ＧａＡｓ層を用いることができる。

高不純物濃度領域のうちオーミック電極が設けられてい
ない領域には、表面から基板に至る高抵抗領域を備える
ことが望ましい。

このような受光素子を製造することが本発明の第二の観
点であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にｎ゛形ＧａＡｓの
第一の半導体層とｎ−形ＧａＡｓの第二の半導体層とを
成長させ、第二の半導体層上にショットキー電極を形成
する受光素子の製造方法において、Ｓｉのイオン注入に
より第二の半導体層から第一の半導体層に至る高不純物
濃度領域を形成し、Ｈのイオン注入により高不純物濃度
領域から基板に至る高抵抗領域を形成し、高不純物濃度
領域に第一の半導体層とオーミック接続されるオーミッ
ク電極を形成する。

本発明の第三の観点はＰＩＮフォトダイオードであり、
基板上に形成されたｐまたはｎ形の第一の半導体層と、
この第一の半導体層の上に形成された実質的にイントリ
ンシックな第二の半導体層と、この第二の半導体層の上
に第一の半導体層と逆の導電型で形成された第三の半導
体層と、第一の半導体層と第三の半導体層とにそれぞれ
接続された第一の電極および第二の電極とを備えた受光
素子において、第三の半導体層は第二の半導体層に不純
物を拡散して得られた層であり、第二の半導体層には第
一の半導体層と同じ導電型で第二の半導体層の表面から
第一の半導体層に至る高不純物濃度領域が設けられ、第
一の電極と第二の電極とは実質的に同一の平面内に形成
されたことを特徴とする。

基板として半絶縁性ＧａＡｓ基板を用い、第一の半導体
層としてｎ゛形ＧａＡｓ層を用い、第二の半導体層とし
てｎ−形ＧａＡｓ層を用い、第三の半導体装置してｐ゛
形ＧａＡｓ層を用いることができる。

高不純物濃度領域のうちオーミック電極が設けられてい
ない領域には、表面から基板に至る高抵抗領域を備えて
いることが望ましい。

本発明の第四の観点はこのＰＩＮフォトダイオードの製
造方法であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にｎ＋形ＧａＡ
ｓの第一の半導体層とｎ−形ＧａＡｓの第二の半導体層
とを成長させ、第二の半導体層の表面にｐ。

形ＧａＡｓの第三の半導体層を形成し、この第三の半導
体層上にｎ側オーミック電極を形成する受光素子の製造
方法において、Ｓｉのイオン注入により第二の半導体層
から第一の半導体層に至る高不純物濃度領域を形成し、
Ｈのイオン注入により高不純物濃度領域から基板に至る
高抵抗領域を形成し、高不純物濃度領域に第一の半導体
層とオーミック接続されるｎ側オーミック電極を形成し
、第三の半導体層を形成するときには、第二の半導体層
にＺｎイオンを注入することを特徴とする。

本明細書において「上」とは、基板からのエピタキシャ
ル成長の方向をいう。また、「イントリンシック」とは
、実質的に真性半導体として取り扱うことができる程度
に不純物濃度が低いことをいう。

〔作　用〕

低不純物濃度の半導体層にＳｉ、　Ｚｎ、　Ｈなどをイ
オン注入して、それぞれｎ゛層、ｐ＋層および高抵抗層
を形成する。これにより、表面を平坦に保ちながら受光
素子を製造できる。受光素子の周辺に凹凸ができないた
め、微細素子の製造が容易になり、受光素子の静電容量
を小さくすることができる。また、高抵抗層を形成する
ことにより、素子を絶縁分離するとともに、静電容量を
小さくすることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例受光素子の断面図を示し、第
２図は斜視図を示す。第１図は第２図のＡ−Ａに沿った
断面図である。

この実施例は、本発明をショットキーフォトダイオード
に実施したものであり、基板として半絶縁性ＧａＡｓ基
板１を用い、この基板上に形成された第一の半導体層と
してｎ＋形ＧａＡｓ層２を備え、このｎ°形ＧａＡｓ層
２の上にこの層より低不純物濃度で形成された第二の半
導体層としてｎ−形ＧａＡｓ層３を備え、このｎ”形Ｇ
ａＡｓ層３との間にショットキー接合を形成するショッ
トキー電極４と、ｎ゛形ＧａＡｓ層２にオーミックに接
続されたオーミック電極５とを備える。

ここで本実施例の特徴とするところは、ｎ−形ＧａＡｓ
層３にはオーミック電極５とｎ１形ＧａＡｓ層２とを電
気的に接続する高不純物濃度領域６が設けられ、オーミ
ック電極５がショットキー電極４と実質的に同一の面内
に形成されたことにある。さらに、高不純物濃度領域６
のうちオーミック電極が設けられていない領域には、表
面から半絶縁性ＧａＡｓ基板１に至る高抵抗領域７を備
える。

ショットキー電極４を透過した入射光は、ｎ−形ＧａＡ
ｓ層３で吸収される。このとき、ショットキー接合によ
り形成された空乏層付近で発生した電子と正孔とが、電
界によって分離され、それぞれ逆方向にドリフトし、オ
ーミック電極５とショットキー電極４とにより光電流と
して取り出される。

ここで、ショットキーフォトダイオードの動作の高速性
を向上させるには、素子自身のもつ静電容量をできるだ
け小さくすればよい。この静電容量は主に二つの原因に
よって生じる。第一はショットキー接合により形成され
る空乏層を誘電体としたコンデンサの静電容量であり、
第二は電極パッドなどの容量である 空乏層による静電容量を小さくするためには、空乏層を
厚くするか、接合の面積を小さくすればよい。しかし、
空乏層の厚さについては、電子と正札との走行時間によ
りその最大値が制限される。

このため、静電容量を小さくするには、素子の接合面積
を小さくする必要があり、微細化技術が要求される。例
えば、遮断周波数が３０ＧＨｚを越えるような素子の製
造プロセスでは、パターニングのアラインメント・マー
ジンが約１μｍとなる。

本発明の受光素子では、パターニング表面は製造プロセ
スの最後までほとんど平坦である。このため、従来例で
示したような段差のある素子と比ベ、微細なパターンニ
ングが可能となる。

また、電極パッドなどの容量については、受光部分やオ
ーミック電極部分以外をＨ注入によって高抵抗化してい
るため、非常に小さくなる。

第３図はこの実施例素子の製造方法を示す。

まず、第３図（ａ）に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基
板ｌに、キャリア濃度綿３　ＸＩＯ”ｃ＋ｙｒ’のｎ＋
形ＧａＡｓ層２と、キャリア濃度綿５　ｘ　ＩＱ”ｃｒ
ｎ−３のｎ−形ＧａＡｓ層３とをエピタキシャル成長さ
せる。

次に、第３図（ｂ）に示すように、受光領域（ショット
キー接合が形成される領域）に注入マスク１０を設け、
それ以外の部分に、表面からｎ＋形ＧａＡｓ層２の上部
まで分布するようにＳｉを注入する。さらに、注入マス
クｌＯを剥離した後にＳｉ活性化処理を行って、ｎ゛形
ＧａＡｓの高不純物濃度領域６を形成する。

続いて、第３図（Ｃ）に示すように、注入マスク１１に
より、Ｓｉを注入した領域のうちオーミック電極５を形
成しようとする領域以外の部分に、Ｈを注入する。これ
によりｎ°形ＧａＡｓ層２およびｎ−形ＧａＡｓ層３を
高抵抗化し、素子の静電容量の削減と絶縁分離とを行う
。

この後に、第３図（ｄ）に示すように、ｎ形のオーミッ
ク電極５を形成する。さらに、第３図（ｅ）に示すよう
に、ショットキー電極４を形成する。

第４図は本発明第二実施例の受光素子の断面図を示し、
第５図は斜視図を示す。第４図は第５図のＢ−Ｂに沿っ
た断面図である。

この実施例は本発明をＰＩＮフォトダイオードに実施し
たものであり、基板として半絶縁性ＧａＡｓ基板ｌを用
い、この基板上に形成されたｐまたはｎ形の第一の半導
体層としてｎ°形ＧａＡｓ層２を備え、このｎ゛形Ｇａ
Ａｓ層２の上に形成された実質的にイントリンシックな
第二の半導体層としてｎ−形ＧａＡｓ層３を備え、この
ｎ−形ＧａＡｓ層３の上に第三の半導体層としてｐ゛形
ＧａＡｓ層８を備え、ｎ＋形ＧａＡｓ層２とｐ＋形Ｇａ
Ａｓ層８とにそれぞれ接続された第一の電極および第二
の電極としてオーミック電極５および９を備える。

ここで本実施例の特徴とするところは、ｐ゛形ＧａＡｓ
層８はｎ−形ＧａＡｓ層３に不純物を拡散して得られた
層であり、ｎ−形ＧａＡｓ層３にはｐ形でこの層を貫通
する高不純物濃度領域６が設けられ、オーミック電極５
．９は実質的に同一の面内に形成されたことにある。さ
らに、高不純物濃度領域６のうちオーミック電極５が設
けられていない領域には、表面から絶縁性ＧａＡｓ基板
ｌに至る高抵抗領域７を備える。

第６図は第二実施例の受光素子の製造方法を示す。

この製造方法では、第６図（ｂ）に示す工程で、注入マ
スク１２を用いてＺｎを注入することが第３図に示した
方法と異なる。この工程により、表面から数十〜数百ｎ
ｍの深さ（ｎ“形ＧａＡｓ層３に達しない深さ〉まで２
ｎを選択的に注入し、ｐ゛形ＧａＡｓ層８を形成する。

この素子の場合にも、Ｓｉ、Ｈ注入により静電容量を非
常に小さくすることができる。また、Ｚｎ注入のドーズ
量を増やしてｐ゛形ＧａＡｓ層８のキャリア濃度を高く
すれば、高速動作する素子で問題となるｐ形オーミック
電極９の接触抵抗を下げることができ、高速動作性を向
上させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の受光素子は、電極形成で
生じる段差以上の段差はできず、製造プロセス中のパタ
ーンニングを表面が平坦な状態で行なえる。そのため、
１μｍ程度のパターン幅でも比較的容易にバターニング
できる。また、接合部分以外の規制容量が発生しにくい
構造となっているため、遮断周波数が３０ＧＨｚを越え
るような受光素子も比較的容易に製造できる効果がある
。

４、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例受光素子の断面図。 第２図よ斜視図。 第３図は製造方法を示す図。 第４図は本発明第二実施例受光素子の断面図。 第５図は斜視図。 第６図は製造方法を示す図。 第７図は従来例ショットキーフォトダイオードの斜視図
。 第８図は断面図。 第９図は従来例ＰＩＮ形フォトダイオードの断面図。 １．２１．３１−・・半絶縁性ＧａＡｓ基板、２．２２
．３２−・・ｎ＋形ＧａＡｓ層、３．２３−ｎ−形Ｇａ
Ａｓ層、４・・・ショットキー電極、５．９．２５．３
６．３７・・・オーミック電極、６・・・高不純物濃度
領域、７．３８・・・高抵抗領域、８−ｐ　”形ＧａＡ
ｓ層、１０．１１．１２−・・注入マスク、２４・・・
半透明ショットキー電極、２６・・・誘電体膜、３３・
・・ｎ形ＧａＡｓ層、３４・・・イントリンシックＧａ
Ａｓ層、３５・・・ｐ形ＧａＡｓ層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板（１）上に形成された第一の半導体層（２）と
   、 この第一の半導体層の上にこの層より低不純物濃度で形
   成された第二の半導体層（３）と、この第二の半導体層
   との間にショットキー接合を形成するショットキー電極
   （４）と、 前記第一の半導体層にオーミックに接続されたオーミッ
   ク電極（５）と を備えた受光素子において、 上記第二の半導体層には上記オーミック電極と上記第一
   の半導体層とを電気的に接続する高不純物濃度領域（６
   ）が設けられ、 上記オーミック電極は上記ショットキー電極と実質的に
   同一の平面内に形成された ２、基板は半絶縁性ＧａＡｓ基板を含み、 第一の半導体層はｎ＾＋形ＧａＡｓ層を含み、第二の半
   導体層はｎ＾−形ＧａＡｓ層を含む請求項１記載の受光
   素子。 ３、高不純物濃度領域のうちオーミック電極が設けられ
   ていない領域に、表面から基板に至る高抵抗領域を備え
   た請求項１または２に記載の受光素子。 ４、半絶縁性ＧａＡｓ基板（１）上にｎ＾＋形ＧａＡｓ
   の第一の半導体層（２）とｎ＾−形ＧａＡｓの第二の半
   導体層（３）とを成長させる工程と、 前記第二の半導体層上にショットキー電極（４）を形成
   する工程と、 を含む受光素子の製造方法において、 Ｓｉのイオン注入により上記第二の半導体層から上記第
   一の半導体層に至る高不純物濃度領域（６）を形成する
   工程と、 Ｈのイオン注入により上記高不純物濃度領域から基板に
   至る高抵抗領域（７）を形成する工程と、上記高不純物
   濃度領域に上記第一の半導体層とオーミック接続される
   オーミック電極（５）を形成する工程と を含むことを特徴とする受光素子の製造方法。 ５、基板（１）上に形成されたｎ形の第一の半導体層（
   ２）と、 この第一の半導体層の上に形成された実質的にイントリ
   ンシックな第二の半導体層（３）と、この第二の半導体
   層の上に形成されたｐ形の第三の半導体層（８）と、 上記第一の半導体層と上記第三の半導体層とにそれぞれ
   接続された第一の電極（５）および第二の電極（９）と を備えた受光素子において、 上記第三の半導体層は上記第二の半導体層に不純物を拡
   散して得られた層であり、 上記第二の半導体層には上記第一の半導体層と同じ導電
   型で上記第二の半導体層の表面から上記第一の半導体層
   に至る高不純物濃度領域（６）が設けられ、 上記第一の電極と上記第二の電極とは実質的に同一の平
   面内に形成された ことを特徴とする受光素子。 ６、基板は半絶縁性ＧａＡｓ基板を含み、 第一の半導体層はｎ＾＋形ＧａＡｓ層を含み、第二の半
   導体層はｎ＾−形ＧａＡｓ層を含み、第三の半導体層は
   ｐ＾＋形ＧａＡｓ層を含む請求項５記載の受光素子。 ７、高不純物濃度領域のうちオーミック電極が設けられ
   ていない領域に、表面から基板に至る高抵抗領域（７）
   を備えた請求項５または６に記載の受光素子。 ８、半絶縁性ＧａＡｓ基板（１）上にｎ＾＋形ＧａＡｓ
   の第一の半導体層（２）とｎ＾−形ＧａＡｓの第二の半
   導体層（３）とを成長させる成長工程と、 前記第二の半導体層の表面にｐ＾＋形ＧａＡｓの第三の
   半導体層（８）を形成するｐ層形成工程と、この第三の
   半導体層上にｐ側オーミック電極（９）を形成する工程
   と、 を含む受光素子の製造方法において、 Ｓｉのイオン注入により上記第二の半導体層から上記第
   一の半導体層に至る高不純物濃度領域（６）を形成する
   工程と、 Ｈのイオン注入により上記高不純物濃度領域から基板に
   至る高抵抗領域（７）を形成する工程と、上記高不純物
   濃度領域に上記第一の半導体層とオーミック接続される
   ｎ側オーミック電極（５）を形成する工程と を含み、 上記ｐ層形成工程は上記第二の半導体層にＺｎイオンを
   注入する工程を含む ことを特徴とする受光素子の製造方法。