JPH04266070A

JPH04266070A - フォトダイオード

Info

Publication number: JPH04266070A
Application number: JP3026145A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Kuwazuka; 治彦鍬塚
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1992-09-22

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体フォトダイオー
ドに関し、特に光通信等において、高速動作を可能にす
る半導体フォトダイオードに関する。

【０００２】近年、通信の高速化に伴い、光通信の高速
化、大容量化が要求されている。このため、光通信に用
いられる受光素子にも高速化が必要となっている。受光
素子の高速化のためには、寄生容量、寄生インダクタン
スの低減が望まれる。

【０００３】

【従来の技術】フォトダイオードの動作速度は、配線ま
で含めた素子のインダクタンス、ＲＣ時定数、動作層中
のキャリアの走行時間等によって制限される。

【０００４】フォトダイオードの寄生インダクタンス、
寄生容量をなるべく低減するためには、配線長をなるべ
く短くし、ｐｎ接合の面積をなるべく小さくすることが
好ましい。

【０００５】図２は、従来の技術によるフォトダイオー
ドを示す。図２（Ａ）は、構成を断面で示す。ｎ＋　型
ＩｎＰ基板１１の表面（図中、下側に示す）にＩｎＰよ
りもバンドギャップの狭いｎ−　型ＩｎＧａＡｓの光吸
収層１２をエピタキシャルに成長し、さらにその上にｎ
型ＩｎＰ層１３をエピタキシャルに成長する。このｎ型
ＩｎＰ層１３の表面に、Ｚｎ等のｐ型不純物を選択的に
拡散し、ｐ＋　型領域１４を形成する。このｐ＋型領域
１４を取囲むようにエピタキシャル層をエッチングし、
基板１１に達する切欠部１５を形成する。

【０００６】基板１１の裏面は、厚さ分布のあるフォト
レジストマスク等を形成した後、マスクも消費するドラ
イエッチングを行ない、凸レンズ２０の形状に成形する
。その後、裏面上のｐ＋　型領域１４、ｎ型領域１３の
上に、ｐ側電極１８、ｎ側電極１７を形成し、回路基盤
１９にフリップチップボンディングする。

【０００７】フリップチップボンディングのため、配線
長は最短にされ、またｐｎ接合の面積は中央のｐ＋　型
領域１４とその周囲のｎ型領域１３の間に形成されたｐ
ｎ接合のもののみとなる。このようにして、寄生インダ
クタンス、寄生容量の小さなフォトダイオードが形成さ
れる。

【０００８】このようなフォトダイオードの動作を、図
２（Ｂ）、（Ｃ）を参照して説明する。光は基板１１の
裏面の凸レンズ２０側から入射する。基板１１はバンド
ギャップの広いＩｎＰで形成されているため、入射光に
対して透明であり、光は光吸収層１２に入射した後、吸
収される。

【０００９】図２（Ｂ）は、入射光強度の深さに対する
変化を示す。光がＩｎＧａＡｓで形成された光吸収層１
２に入射すると吸収が始まり、光強度Ｉは次第に減少す
る。光吸収層１２の下には、さらにバンドギャップの広
いＩｎＰで形成された層１３、１４が配置されている。ｐｎ接合は、ｎ型層１３とｐ＋　型領域１４の間に形成
されている。

【００１０】図２（Ｃ）は、光吸収層１２内で発生した
電子−正孔対の動きを説明するための図である。入射光
強度Ｉの減少分に比例して、プラスで表わした正孔とマ
イナスで表わした電子が発生する。ダイオード構造は逆
バイアスされるので、電子はｎ＋　型基板１１に向って
流れ、正孔はｐ＋　型領域１４に向って流れる。入射光
によって発生したキャリアが、これらの低抵抗率領域１
１、１４に達した時、光励起電流が流れる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来の技
術によるフォトダイオードにおいては、図２（Ｃ）を参
照して説明すると、入射光によって励起されたキャリア
は光吸収層１２の内、入射面である基板１１側において
多い。この場所からｎ＋　型基板１１までの距離は短い
ので、電子の走行距離は短いが、ｐ＋　型領域１４まで
の距離は長い。したがって、正孔の走行距離は長い。

【００１２】ところで、電子に比べて正孔の速度は遅い
ため、遅い正孔がより長い距離を走行すると、励起され
たキャリアが低抵抗率領域に達するまでのキャリア走行
時間が長くなってしまう。

【００１３】図２（Ａ）に示す構造の導電型を反転すれ
ば、この問題は解決できるが、ｎ型の不純物拡散技術が
存在せず、ｎ＋　型領域を表面に選択的に形成すること
ができない。このため、導電型を反転することはできな
い。

【００１４】そこで、拡散技術の代わりにエピタキシャ
ル成長技術を利用すると、図３に示すような参考例の構
造となる。この構造では、ｐ＋　型ＩｎＰ基板２１上に
ｎ−　型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２、ｎ型ＩｎＰ層２３
をエピタキシャル成長してｐｎ接合ダイオードを形成し
ている。受光部を制限するためエピタキシャル成長層を
メサ型にエッチングするが、ｐ型拡散領域を形成するこ
とができないため、ｐ側電極２５は基板２１の裏面上に
形成せざるを得なくなる。すなわち、ｐ側電極２５はｎ
側電極２４の反対側の面上に配置される。

【００１５】すると、ｐ側電極２５に対する配線を配線
基盤から離して設けなければならなくなる。このように
、フリップチップ接続は困難となり、配線により寄生イ
ンダクタンスが増大してしまう。

【００１６】さらに、図示の構成においては、ｐｎ接合
がｐ＋　型基板２１と、ｎ−　型光吸収層２２との間に
形成され、ｐｎ接合周囲の空乏層がバンドギャップの狭
い光吸収層２２内で外部に接触してしまう。このため暗
電流が増大しやすい。

【００１７】本発明の目的は、フリップチップ接続が可
能で、裏面入射が行なえ、かつ高速動作が可能なフォト
ダイオードを提供することである。本発明の他の目的は
、ｐ型低抵抗率領域近傍でより多くの光が吸収され、か
つ暗電流の低いフォトダイオードを提供することである
。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明のフォトダイオー
ドは、第１のバンドギャップの半導体で形成されたｐ型
半導体基板と、ｐ型半導体基板表面上に形成され、第１
のバンドギャップより狭い第２のバンドギャップの半導
体で形成された高抵抗率の光吸収層と、光吸収層上に形
成され、第２のバンドギャップより広い第３のバンドギ
ャップの半導体で形成されたｎ型半導体領域と、ｎ型半
導体領域表面からｐ型半導体基板に達するように形成さ
れたｐ型拡散領域と、ｐ型拡散領域にコンタクトするｐ
側電極と、ｐ側電極と同一表面のｎ型半導体領域にコン
タクトするｎ側電極と、基板の裏面側に設けられた光入
射面とを有する。

【００１９】

【作用】高抵抗率の半導体光吸収層が、ｐ＋　型半導体
基板表面上に形成されるため、基板側から入射する光は
基板近傍でより多く吸収される。このため、光吸収によ
り励起されるキャリアは、ｐ＋　型半導体基板近傍でよ
り多く発生し、速やかに低抵抗率領域に輸送される。

【００２０】さらに、半導体基板表面側にｎ＋　型半導
体領域と、ｐ＋　型半導体基板に達するｐ＋　型拡散領
域とが形成されるため、フリップチップ接続が可能であ
る。さらに、ｐ＋　型拡散領域でｎ＋　型半導体領域を
取囲むようにすることにより、バンドギャップの狭い半
導体領域で空乏層が外部に露出することを防止でき、暗
電流を低減することができる。

【００２１】

【実施例】以下、実施例に沿って本発明を説明する。図
１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の実施例によるフ
ォトダイオードを示す。

【００２２】図１（Ａ）は、フォトダイオードの構成を
断面で示す。ｐ＋　型ＩｎＰで形成された半導体基板１
の表面上に、ｎ−　型ＩｎＧａＡｓで形成された光吸収
層２、およびｎ＋　型ＩｎＰで形成されたｎ型領域３と
をエピタキシャルに成長する。これらの層のエピタキシ
ャル成長は、たえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長
法）で形成される。ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２は、
たとえば不純物濃度ｎ＝２Ｅ１５ｃｍ−３程度、厚さ約
１．５μｍを有する。また、ｎ＋　型ＩｎＰで形成され
たｎ型層３は、たとえば不純物密度ｎ＋　＝１Ｅ１８ｃ
ｍ−３程度、厚さ約１μｍを有する。これらのエピタキ
シャル成長は、同一の成長装置内で連続的に行なうこと
ができる。

【００２３】エピタキシャル成長後、エピタキシャル層
上にホトレジストでマスクを形成し、ケミカルウェット
エッチングを行なうことにより、中央のメサ状島領域を
取囲む凹部５を形成することができる。このエッチング
は、たとえば硫酸（Ｈ２　ＳＯ４　）：過酸化水素（Ｈ
２　Ｏ２　）：水（Ｈ２　Ｏ）＝１：１：１のエッチャ
ントを用いて行なうことができる。エッチング深さは、
エピタキシャル成長層の厚さないしはそれよりわずかに
深く行なう。このようにして、中央に直径約２０μｍの
動作領域を形成し、凹部を介してその外部に中央部と同
一レベルの部分を形成することができる。

【００２４】その後、中央の島領域中央部を酸化膜等で
マスクして、凹部５内に露出している面を含め、露出し
ている基板１表面に、ｐ型不純物（Ｚｎ等）を拡散する
。このようにして、ｐ型拡散領域４を形成する。島領域
内の光吸収層２ａ、ｎ型領域３ａの側面はｐ型拡散領域
４で覆われる。拡散後、中央の島領域表面に形成したマ
スク（酸化膜等）を除去する。

【００２５】基板１裏面上は、光入射面となる。この部
分では、厚さ分布のあるレジスト層等を形成し、レジス
ト層を消費しつつ、ドライエッチングを行なうことによ
り、基板１裏面を選択的にエッチングし、レンズ形状１
０を形成する。

【００２６】基板表面上に形成されたｎ型領域３ａ、ｐ
型領域４の上に、ｎ側電極７、ｐ側電極８を形成する。このようにして作成したフォトダイオード構造を、配線
基盤９上に基板１表面側が配置されるようにフリップチ
ップボンディングする。入射光は、基板１の裏面（図中
、上側に示された面）側から入射する。レンズ１０の作
用により、入射光は集束されつつ、中央島領域内の光吸
収層２ａに入射する。

【００２７】光吸収層２内における光吸収を図１（Ｂ）
を参照して説明する。基板１はバンドギャップの広いＩ
ｎＰで形成されているため、この中で光吸収はほとんど
生じない。入射光が光吸収層２に入射すると光吸収が始
まり、入射光の強度Ｉは光吸収層２内の深さと共に指数
関数的に減少する。ｎ型領域３に達すると、この領域は
バンドギャップの広いＩｎＰで形成されているため、光
吸収はもはや生じない。したがって、信号として検出さ
れる光吸収は、光吸収層２内において選択的に生じる。

【００２８】図１（Ｃ）は、光吸収によって発生したキ
ャリアの動きを説明するための概念図である。ダイオー
ド構造は逆バイアスされ、光吸収層２ａは空乏化される
。入射光は図中、上側から下側に入射する。このため光
吸収層２内において、光吸収は図中上側で強く、下側で
弱くなる。このため、光励起されたキャリアは、光吸収
層２ａの上側に多く、下側で少ない。光吸収層２ａの上
側には、ｐ＋　型基板１が配置されているため、吸収の
強い領域からｐ＋　型基板１に走行する正孔の走行距離
は短い。このため、電子に比べて走行速度の遅い正孔も
その走行時間は短くすることができる。光吸収層２内の
電子が低抵抗率のｎ型領域に達するには、比較的長い距
離を走行しなければならないが、電子の速度は比較的速
いため、高速動作を保つことができる。このため、高速
動作が行なえる。

【００２９】さらに、図１（Ｄ）に示すように、ｐｎ接
合６は基板１と光吸収層２ａの間およびｐ型拡散領域４
ａとそれに取囲まれたｎ型領域２ａ、３ａとの間に形成
される。このため、ｐｎ接合がメサ側面に露出すること
がない。メサ表面はバンドギャップの広いＩｎＰで形成
されているため、ｐｎ接合が露出しても暗電流増大の問
題は少ない。このため、フォトダイオードとして暗電流
の低いものが得られる。

【００３０】以上、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとを用いたフ
ォトダイオードについて説明したが、用いる材料の組合
わせはこれに限らない。たとえば、光吸収層としてＧａ
Ｓｂ、その他の半導体領域として、ＡｌＧａＡｓＳｂ等
の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体の組合わせを用いることもで
きる。

【００３１】光吸収領域をｎ−　領域で形成する場合を
説明したが、高抵抗率領域であればｐ−　型でもｉ型で
もよい。また、フォトダイオードの構造として、ＰＩＮ
フォトダイオードの場合を説明したが、アバランシェフ
ォトダイオードに適用することもできる。この場合、た
とえばｐ型ＩｎＰ基板とｎ−　型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
との間にｎ型ＩｎＰ雪崩れ領域を配置する。

【００３２】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
フォトダイオードの同一表面上にｐ側電極とｎ側電極と
が配置でき、さらに光吸収層の入射側にｐ型領域が配置
されるため、フリップチップ接続が可能で、動作速度の
速いフォトダイオードが提供される。

【００３４】また、バンドギャップの狭い領域内でｐｎ
接合およびその周囲の空乏層が表面に露出することを防
止できるため、暗電流を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す。図１（Ａ）は構成を示
す断面図、図１（Ｂ）、（Ｃ）は動作を説明するための
概念図、図１（Ｄ）は部分拡大断面図である。

【図２】従来の技術によるフォトダイオードを示す。図
２（Ａ）は構成を示す断面図、図２（Ｂ）、（Ｃ）は動
作を説明するための概念図である。

【図３】参考例によるフォトダイオードの構造を示す断
面図である。

【符号の説明】

１　　ｐ＋　型基板２　　高抵抗率光吸収層３　　ｎ型領域４　　ｐ＋　型拡散領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　第１のバンドギャップの半導体で形成
されたｐ型半導体基板（１）と、前記ｐ型半導体基板表
面上に形成され、第１のバンドギャップより狭い第２の
バンドギャップの半導体で形成された高抵抗率の光吸収
層（２）と、前記光吸収層上に形成され、第２のバンド
ギャップより広い第３のバンドギャップの半導体で形成
されたｎ型半導体領域（３）と、前記ｎ型半導体領域表
面から前記ｐ型半導体基板に達するように形成されたｐ
型拡散領域（４）と、前記ｐ型拡散領域にコンタクトす
るｐ側電極（８）と、前記ｐ側電極と同一表面の前記ｎ
型半導体領域にコンタクトするｎ側電極（７）と、前記
基板の裏面側に設けられた光入射面とを有するフォトダ
イオード。