JPH042175A - 半導体受光素子 - 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） この発明は、光通信分野等に用いて好適な半導体受光素
子に関するものである。

（従来の技術） 光通信技術等の発展に伴いより高牲能な半導体受光素子
が望まれている。

従来、この種の半導体受光素子としでは、例えば文献（
「光通信素子光学−発光・受光素子−」工学図書（株）
刊　（昭和６３年１２月１５日３版）ｐｐ、３１１〜４
３０）に開示されているような種々のものがあった。

第４図は、その−例を示した図であり、ＩｎＧａＡｓ系
化合物半導体を用いて構成したブレーナ型の半導体受光
素子（ブレーナ型のＰＩＮ）オドダイオード）を、これ
の受光面の中心において基板の厚さ方向に沿って切って
概略的に示した切り欠き斜視図である。

この半導体受光素子は、ｎ”−ＩｎＰ基板１１と、この
基板１１上に順次に形成されたｎ−ＩｎＰバッファ層１
３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１５及びｎ−ＩｎＰウィ
ンド層１層上７具えでいた。

さらに、この半導体受光素子は、ｎ−ＩｎＰウィンド層
１層上７定領域に、このウィンド層１７とｎ−ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層１５との境界までｐ型不純物例えばＺｎ又
はＣｄを拡散させることにより形成した、ｐ＋−拡散領
域１９を具えていた。さらに、このｐ＋−拡散領域１９
の、中央部の略円形状の部分上には反射防止膜２１か設
けられ、それ以外の部分上にはｎ側電極２３か設けられ
でいた。ここで、ｐ＋−拡散領域］９が、受光面として
機能する。

さらに、この半導体受光素子は、ｎ−ＩｎＰウィンド層
１層上７ｐ＋−拡散領域１９とされた以外の領域上にＳ
ｉ３Ｎ、を膜から成る絶縁膜２５を具え、さらにこの絶
縁膜２５上には金属膜で構成された遮光膜２７を具え、
ざらに基板１１の裏面にはｎ側電極２９を臭え、絶縁膜
２５上にｎ側電極２３から延在しているワイヤポンデイ
ングパ・ンド２３ａを具えていた。

この種の半導体受光素子においてその応答速度は、上述
の文献にも記載の通り、ｐｎ接合容量、電極容量、その
他の浮遊容量で構成される容量と負荷抵抗とで決まるＣ
日時定数、及び空乏層内のキャリアの走行時間等により
制限される。従って、この種の半導体受光素子において
空乏層領域以外の領域に光が入ると、この領域で発生し
た少数キャリアは拡散して空乏層内に入る（拡散成分が
主しる）こと１こなるため、その分キャリアの走行時間
が長くなり応答速度の低下を招く。具体例で説明すれば
、パルス応答時に上述のような拡散成分があると、半導
体受光素子の出力信号は、第５図（Ａ）に示すようにそ
の終端が尾を引いた状態のものになってしまい、この結
果、高速通信か不可能になってしまう。

そこで、受光面以外の領域への光入射を防止するために
遮光膜２７を股（ブ、空乏層領域以外での光吸収を防止
し上記拡散成分の発生を抑えていた。この遮光膜２７か
本来の機能を果すと、第５図（Ｂ）に示すような良好な
パルス応答を得ることが可能になる６ （発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の半導体受光素子では、遮光膜が金
属で構成されていたため、ｎ側電極２３（ポンディング
パッド２３ａも含む。また、反対導電型の場合はｎ側電
極及びポンディングパッドになる。以下、同様。）と遮
光膜２７とか接すると、電極容量が増加しＣ日時定数か
増加する。このため、半導体受光素子の応答速度が低下
するので、高速通信が不可能になるという問題点があっ
た。

また、ｎ側電極２３と遮光膜とが接しないようにするた
めにｎ側電極と遮光膜との間隙を大きくすると、光がこ
の間隙から当該半導体受光素子の空乏層領域以外の領域
に入るので、空乏層領域以外の領域で光吸収が生じでし
まう、このため、上述の拡散成分が増加し、この結果／
８答速度の低下を招くため高速通信が不可能になるとい
う問題点かあった。

この発明は、このような問題点に鑑みなされたものであ
り、従ってこの発明の目的は、上述の問題点を解決出来
る遮光膜を具えた半導体受光素子を提供することにある
。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明によれば、受光面
以外の面に遮光膜を具える半導体受光素子においで、 遮光膜を誘電体多層膜で構成したことを特徴とする。

なあ、この発明の実施に当たり、前述の誘電体多層膜は
、屈折率の異なる２種類の誘電体薄膜を１層ずつ積層し
た対を複数対積層して構成し、かつ、これら２　ｆｉ類
の誘電体薄膜釜々の膜厚ｄ＋を下式で与えられる膜厚と
するのか好適である（但し、式中、ｉ＝１．２であり、
λｃは当該半導体受光素子か受光する光の中心波長であ
り、ｎ、は該当する誘電体薄膜の屈折率である。）。

ｄ＋＝入ｃ　／　（４ｎ、　） （作用） このような構成によれば、遮光膜が誘電体で構成される
のでｐ側電極と接しても電極容量の増加を来すことかな
い。このため、遮光膜をその端部がｐ側電極に接するよ
うに或はその端部がｐ側電極に重なるように形成し受光
面以外の領域への光の侵入の防止か図れる。

また、誘電体多層膜を用いた遮光膜によれば、単一の誘
電体膜で遮光膜を形成する場合より、遮光を良好に行え
る。特に、誘電体多層膜を屈折率の異なる２種類の誘電
体薄膜を１層ずつ積層した対を複数対積層しで構成し、
これら２種類の誘電体薄膜各々の膜厚ｄ１を上述の式で
与えられる膜厚とした場合は、各対の部分が光を効率良
く減衰出来、この対の数を増加することにより任意の透
過率の遮光膜が得られる。

また、誘電体多層膜で構成した遮光膜は従来の半導体受
光素子における絶縁膜２５（第４図参照）の機能も兼ね
るので、金属遮光膜を用いていた場合に比べ、素子作製
が容易になる。

また、誘電体多層膜から成る遮光膜上には、ポンディン
グパッドを形成出来る。従って、金属遮光膜を用いてい
た従来の受光素子に比べ、ポンディングパッド下に誘電
体多層膜を挟める分、電極容量か小さくなり０８時定数
も小さくなる。

（実施例） 以下、第４図に示した従来の半導体受光素子にこの発明
を適用した例により実施例の説明を行つ。

第１図（Ａ）は、実施例の半導体受光素子をその受光面
の中心で基板の厚さ方向に切って概略的に示した切り欠
き斜視図である。

実施例の半導体受光素子は、従来同様、ｎ＋ＩｎＰ基板
１１と、この基板１１上に順次に形成したｎ−ＩｎＰｎ
ラバ９フフ Ａｓ光吸収層］５及びｎ−ＩｎＰウィンド層１層性７え
ている。

ざらに、この実施例の半導体受光素子は、従来同様、ｎ
−ＩｎＰウィンド層１層性７定領域に、このｎ−ＩｎＰ
ウィンド層１層性７−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１５との境
界までｐ型不純物例えばＺｎ又はＣｄを拡散させること
により形成した、ｐ十−拡散領域１９を具えている。さ
らに、このｐ＋−拡散領域１９の、中央部の略円形状の
部分上には反射防止膜２１を具え、それ以外の部分上に
はｎ側電極２３を具えでいる。ここで、ｐ＋−拡散領域
１９か、従来同様、受光面として機能する。

さらに、この実施例の半導体受光素子は、従来同様、ｎ
−ＩｎＰウィンド層１層性７ｐ＋−拡散領域１９とされ
た以外の領域上に５１３Ｎ，ｌ膜から成る絶縁膜２５を
具え、基板］１の裏面にはｎ側電極２９を具える。ざら
に、この絶縁膜２５上に遮光膜３１を具えるが、この遮
光膜３１は、誘電体多層膜で構成しである点、及び、そ
の端部がｎ側電極２３に接するように形成して受光面以
外に光が入らないようにしである点で従来のものと構成
が相違する。さらに、ポンディングパッド２３ａは、遮
光膜３１上に設けである点においても従来のものと構成
が相違する。

ここで、この実施例の半導体受光素子においては、誘電
体多層膜から成る遮光膜３１は、以下に説明するような
構成としでいる。第１図（Ｂ）はその説明に供する図で
あり、第１図（Ａ）中Ｐで示した部分を拡大しで示した
図である。

この実施例の誘電体多層膜３１は、屈折率の異なる２種
類の誘電体薄膜３１ａ、３１ｂ（以下、第１の誘電体薄
膜３１ａ、第２の誘電体薄膜３１ｂと称する。）を１層
ずつ積層した対３１ｃを複数対積層して構成しである。

以下、具体例により説明する。

〈第１寅施例〉 第１図（Ａ）に示した半導体受光素子において、絶縁膜
２５を屈折率が２．００で膜厚が３３７５人のＳｉ３Ｎ
＋膜で構成する。また、この絶縁膜２５上に設ける遮光
膜３１を以下のような構成のものとする。

第１の誘電体薄膜３１ａを屈折率ｎ，が１．４３で膜厚
ｄ，が２３６ｏλ（７）　Ｓ　ｉ　Ｏ　２膜とし、第２
の誘電体薄膜３　１　ｂ！屈折率ｎ２が２．００で膜厚
ｄ２が１６８８λの５ｉ３Ｎａ膜としで誘電体薄膜の対
３１ｃを構成し、この対を１〜］Ｏ対とし１０種類１の
遮光膜３１を構成する。なお、上述した第１の誘電体薄
膜３１ａの膜厚ｄ、及び第２の誘電体薄＄３１ｂの膜厚
ｄ２は、下記の式から決定しでいる。但し、ｉ＝１．２
であり、またλｃは１．３５ｕｍとしている。

ｄ＋＝λｃ／（４ｎｌ　） そして、誘電体薄膜の対３１ｃの数８１対〜１０対とし
た遮光膜毎の、分光透過率特ｔ！をそれぞれ計算する。

なお、この計算は、文献（藤原史部　編集「光学薄膜」
共立出版）に記載の方法に従い行っている（以下、同様
、）。また、この際のｎ−Ｉ　ｎ　Ｐウィンド層１７の
屈折率ｎｓは３．４０としでいる。

第２図（Ａ）は、この計算結果を、縦軸に透過率（％）
をとり横軸に波長（ｕｎ）をとって示した図である。

第２図（Ａ）からも理解出来るように、誘電体薄膜の対
３１ｃの数が増加するに従い当該遮光膜３１の透過率が
減少しでゆくことが分る。また、遮光膜３１の透過率が
例えば１％以下のものが遮光膜として好ましいと考えた
場合、５ｉ３Ｎａ／Ｓｉ○２膜により構成される遮光膜
については、対の数を１０以上とすると少なくとも波長
１．２５〜１．４７ｕｍの範囲の光の透過″４を１％以
下に出来ることか分る。

く第２実施例〉 また、絶縁膜２５８屈折率か２．００で膜厚が３２５０
１のＳｉ３Ｎ４膜で構成し、第１の誘電体薄膜３１ａを
屈折率ｎ１が１．４３で膜厚ｄ。

が２２７３人の８１０２膜とし、第２の誘電体薄膜３１
ｂ！屈折率ｎ２か３．４ｏて膜厚ｄ２が９５６λの高抵
抗Ｓ１として誘電体薄膜の対３１ｃを構成し、この対３
１ｃを１〜５対として第１実施例と同様に遮光膜３１を
構成し、第１実施例同様に分光透過率特性を計算する。

第２図（Ｂ）にこの計算結果を第２図（Ａ）同様な書式
により示した。

第２図（Ｂ）からも理解出来るように、第２実施例の場
合も、誘電体薄膜の対３１ｃの数が増加するに従い当該
遮光膜の透過率が減少してゆくことが分る。また、この
第２寅施例の構成の場合は、対の数を４以上とすると少
なくとも波長１゜０７〜１．６５ｕｍの範囲の光の透過
率を１％以下に出来ることが分る。さらに、誘電体薄膜
の対をこの第２寅施例のようにＳ　ｘ　０２　／高抵抗
Ｓ１で構成した場合、Ｓ　ｉ　３　Ｎ４／　Ｓ　ｉ　０
２て構成した場合（第１実施例の場合）より少い対数で
も遮光波長領域を広く出来ることが分る。なお、高抵抗
のＳｉは、例えばノンドープのシリコンターゲットを用
いたスパッタリング法により形成することが出来る。

〈第３実施例〉 次に、第１の誘電体薄膜３１ａを屈折率ｎ、が１．４３
で膜厚が３２５０人のＳｉＯ２膜とし、第２の誘電体薄
膜３１ｂを屈折率ｎ２が１．５から４までの範囲内の複
数種のものとして誘電体薄膜の対３１ｃを構成する。な
あ、第２の誘電体薄膜３１ｂの屈折率を１．５から４ま
での範囲で変える具体的な方法としては、例えば、シリ
コンターゲットをアルゴンガス中でスパッタする際に少
量の輩素ガスを混合しその混合ｍを変える方法、また、
別々の材料を用いる方法等がある。また、この場合の第
２の誘電体薄膜３１ｂの膜厚ｄ２は、用いる誘電体薄膜
の屈折率ｎ２に応しｄ２＝λｃ／（４ｎ２）て決定され
る膜厚としている。

次に、この対を無限大積層した誘電体薄膜から成る遮光
膜を想定し、第２の誘電体薄膜３１ｂの屈折率に対する
当該遮光膜の透過率１％以上となる遮光波長領域を計算
により求める。

第３図にその計算結果を、横軸に第２の誘電体薄膜の屈
折率をとり、縦軸に透過率が１％となる遮光波長領１１
ｉをとって示した。但し、縦軸の遮光波長領域とは、中
心波長λｃ＝１．３５ｕｍの前後いくつまでの波長領域
が透過率１％以下になるかという値を意味する。

第３図から理解出来るように、第１の誘電体薄膜及び第
２の誘電体薄膜の屈折率差を大きくすることにより、当
該誘電体多層膜の透過率が１％以下になる連光波長領域
を広げられることが分る。

また、ここで、第１図に示した半導体受光素子即ちＩｎ
Ｐウィンド層を有するＩｎＧａＡｓ系フォトダイオード
の場合、受光波長領域は、おおよそ、０．９〜１．７ｕ
ｍである。従って、このような受光波長領域の先金てに
対し有効な遮光膜を構成出来る誘電体多層膜としでは、
上述の各実施例から明らかなように、高抵抗Ｓｉ膜とＳ
ｉＯ２膜とを組み合わせた対を複数対積層したものが好
適であるといえる。また、光通信で現在用いられている
１、２〜１．５５Ｂ＋ｍの紀囲内の光に対し有効な遮光
膜を構成出来る誘電体多層膜としては、Ｓｉ３Ｎ４膜と
５ｉｎ２膜とを組み合わせたものが好適であるといえる
。また、この際、８１３Ｎ、ｌの代りにＳｉ成分の多い
Ｓ　ｌ　ｘ　Ｎ　＋−ｘを用いるとＳｉＯ２との間の屈
折率差が大きくなり連光波長領域を広げることが出来る
ので有効である。

上述においては、この発明の半導体受光素子の実施例に
つき説明したが、この発明は上述の実施例のみに限られ
るものではなく、以下に説明するような種々の変更を加
えることが出来る。

上述の実施例は、この発明をＩｎＧａＡｓ系化合物半導
体を用いて構成したブレーナ型のＰＩＮフォトダイオー
ドに適用した例であったが、この発明は、アバランシェ
フォトダイオード等のような他の構造の受光素子にも適
用可能であり、また、構成材料７ｉ！ＧａＡｓやＳｉと
した各種の受光素子にも適用可能であり、また、導電型
のいかんにかかわらず適用可能なことは明らかである。

また、上述の実施例では、遮光膜下に絶縁膜２５を具え
る例で説明したが、この発明に係る遮光膜は絶縁物であ
るから、絶ｇ膜２５は特別設けなくとも良いことは明ら
かである。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の半導体
受光素子によれば、受光面以外に設ける遮光膜を誘電体
多層膜で構成しでいる。

従って、遮光膜をその端部がｐ側電極に接するように或
はその端部がｐ側電極に重なるように形成して受光面以
外の領域への光の侵入の防止を図ることか出来、これに
より、拡散成分を小さく出来る。また、遮光膜がｐ側電
極に接しでも電極容量の増加がない、ざらに、ワイヤポ
ンディングパッドも遮光膜上に設けることが出来るので
、ワイヤポンディングパッド部分での電極容量は誘電体
多層膜を挟んだ分生ざくなる。

このため、拡散成分及びＣＲ時定数に起因する応答速度
の低下を従来より抑えることが出来るので、光通信を従
来より高速に出来る半導体受光素子の実現が可能になる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の半導体受光素子
の説明に供する図、 第２図（Ａ）及び（Ｂ）は、各実施例の遮光膜の分光透
過率特性を示す図、 第３図は、実施例の説明に供する図であり、２種類の誘
電体薄膜で構成した対の高屈折率側の誘電体薄膜の屈折
率を変化させた場合の遮光波長領域推移を示す図、 第４図は、従来の半導体受光素子を一部切り欠いて示し
た斜視図、 第５図（Ａ）及び（８）は、従来技術の説明に供する図
である。 １１・・・ｎ”−ＩｎＰ基板 １３・・・ｎ−ＩｎＰｎラバ９フ フ １　７−ｎ−−１　ｎ　Ｐウィンド層 １９・・・ｐ十−拡散領域、　２１・・・反射防止膜２
３・・・ｐ側電極 ２３ａ・・・ワイヤポンディングパッド２５・・・絶縁
膜、　　　　２９・・・ｎ側電極３１・・・誘電体多層
膜で構成した遮光膜３１ａ・・・第１の誘電体薄膜 ３１ｂ・・・第２の誘電体薄膜 Ｃ・・・２種類の誘電体薄膜を１層ずつ積層した対。 許 出 願 人 沖電気工業株式会社 高屈折率の誘電体薄膜層の屈折率ｎ２ 実施例の説明に供する図 第３図 １１：ｎ”−ＩｎＰ基板 １７：ｎ−−ＩｎＰウィンド層 １９ｐ十−拡散領域 ２１反射防止膜 ２３ｐ側電極 ２３ａワイヤポンデイングパツド ２５絶縛膜 ２９ｎ側電極 ３１誘電体多層膜で構成した遮光膜 ３１ｃ・２種類の誘電体薄１１ｖ！１層づつ積層した対
この発明の半導体受光素子の説明ｆこ供する図第１ 頚　四　←　１ 従来の半導体受光素子を一部切り欠いて示した斜視図第
４図 頚　ｇＪ　　皓　Ｘ 時間 従来技術の説明に供する図 第５ 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）受光面以外の面に遮光膜を具える半導体受光素子
   において、 遮光膜を誘電体多層膜で構成したことを特徴とする半導
   体受光素子。
2. （２）前記誘電体多層膜は、屈折率の異なる２種類の誘
   電体薄膜を１層ずつ積層した対を複数対積層して構成し
   てあり、 これら２種類の誘電体薄膜各々の膜厚ｄ＿１を下式で与
   えられる膜厚としてあること を特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子（但し、
   式中、ｉ＝１、２であり、λｃは当該半導体受光素子が
   受光する光の中心波長であり、ｎ＿１は該当する誘電体
   薄膜の屈折率である。）。 ｄ＿１＝λｃ／（４ｎ＿１）