JPH05102513A - Semiconductor phtodetector - Google Patents

Semiconductor phtodetector

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JPH05102513A
JPH05102513A JP3283767A JP28376791A JPH05102513A JP H05102513 A JPH05102513 A JP H05102513A JP 3283767 A JP3283767 A JP 3283767A JP 28376791 A JP28376791 A JP 28376791A JP H05102513 A JPH05102513 A JP H05102513A
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JP
Japan
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layer
light
semiconductor
substrate
light absorption
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Application number
JP3283767A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiko Suga
和彦 菅
Eiji Ikeda
英治 池田
Masayuki Mori
雅之 森
Hiroyuki Kanda
裕之 神田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eneos Corp
Original Assignee
Nippon Mining Co Ltd
Nikko Kyodo Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Mining Co Ltd, Nikko Kyodo Co Ltd filed Critical Nippon Mining Co Ltd
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Publication of JPH05102513A publication Critical patent/JPH05102513A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a PIN photo diode capable of quick response to incident light which is subjected to high speed modulation, by forming a light reflecting layer between a light absorption layer and a buffer layer, so as to cover the outside of a diffusion region. CONSTITUTION:A light reflecting layer 12 composed of a semiconductor multifilm layer is formed between a light absorption layer 3 and a buffer layer 14, so as to cover the outside of a diffusion layer 6. A reflecting mirror structure composed of a dielectric film 16 and a metal film 8b is formed on the surface of a substrate. A lens structure is formed in a body in an incidence window part 9a on the substrate surface through which window a light enters. A contact layer 15 whose forbidden bandwidth is smaller than that of a cap layer is formed between an electrode 8a of a photo detection element and the surface of a diffusion layer 6. Thereby the light is restrained from entering the light absorption layer 3, and electron-hole pairs can be prevented from being generated in a region distant from a depletion layer 30, so that the fall of a photoelectric waveform becomes sharp and a PIN photodiode capable of quick response can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置特にIn
P単結晶のような化合物半導体基板を用いた受光素子に
関し、例えば光通信における信号受信用のPINフォト
ダイオードに利用して効果的な技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an optical semiconductor device, especially In
The present invention relates to a light-receiving element using a compound semiconductor substrate such as P single crystal, and relates to a technique effectively used for a PIN photodiode for signal reception in optical communication, for example.

【0002】[0002]

【従来の技術】光CATVシステムのような大容量光通
信システムでは、超高速かつ高感度な光検出器が不可欠
であり、この要望に応えるため石英光ファイバの低損失
波長帯である1.3μm〜1.55μmの光を効率良く
電気信号に変換する素子としてPINフォトダイオード
とよばれる半導体受光素子が提案されている。光通信に
おける信号受信用のPINフォトダイオードとしては、
例えば図4に示すような裏面入射型ものがある。
2. Description of the Related Art In a large capacity optical communication system such as an optical CATV system, an ultra-high speed and highly sensitive photodetector is indispensable. To meet this demand, a low loss wavelength band of 1.3 .mu.m of a silica optical fiber is used. A semiconductor light receiving element called a PIN photodiode has been proposed as an element for efficiently converting light of ˜1.55 μm into an electric signal. As a PIN photodiode for signal reception in optical communication,
For example, there is a back-illuminated type as shown in FIG.

【0003】すなわち、InP基板1の表面(図では下
面)にn型InPバッファ層2とn型InGaAs光吸
収層3とn型InPキャップ層4を順に成長させる。そ
して、上記InPキャップ層4の一部には、Znのよう
なp型不純物を拡散させて、上記n型InGaAs光吸
収層3との界面に達するようなp型拡散層6を形成す
る。さらに、キャップ層4の表面には窒化シリコン膜か
らなる保護膜7を、また上記p型拡散層6の表面にはオ
ーミック電極8aを形成する。一方、InP基板1の裏
面(図では上面)にはn側電極9を形成し、その中央に
は光入射用開口部9aを開けてその内側には反射率が最
小となるように膜厚を制御した窒化シリコンからなる反
射防止膜10を形成するというものである。なお、基板
の表面側には上記オーミック電極8aの表面に接合する
ようにAu等からなるp側電極8bが形成されている。
That is, an n-type InP buffer layer 2, an n-type InGaAs light absorption layer 3 and an n-type InP cap layer 4 are grown in this order on the surface (the lower surface in the figure) of the InP substrate 1. Then, a p-type impurity layer such as Zn is diffused in a part of the InP cap layer 4 to form a p-type diffusion layer 6 that reaches the interface with the n-type InGaAs light absorption layer 3. Further, a protective film 7 made of a silicon nitride film is formed on the surface of the cap layer 4, and an ohmic electrode 8a is formed on the surface of the p-type diffusion layer 6. On the other hand, an n-side electrode 9 is formed on the back surface (upper surface in the figure) of the InP substrate 1, a light entrance opening 9a is formed in the center thereof, and a film thickness is formed inside the opening 9a so that the reflectance is minimized. The antireflection film 10 made of controlled silicon nitride is formed. A p-side electrode 8b made of Au or the like is formed on the surface side of the substrate so as to be bonded to the surface of the ohmic electrode 8a.

【0004】上記構造の受光素子にあっては、上記電極
8b,9間に逆方向電圧すなわち電極8bに負の電圧を
また電極9に正の電圧を印加される。このような逆バイ
アス状態ではp型拡散層6の境界の空乏層30は主とし
てInGaAs光吸収層3内に広がる。この状態で、受
光部より入射した所定の波長の光はInP基板1および
バッファ層2では吸収されず光吸収層3に到達して吸収
され、電子−正孔対が発生する。このうち空乏層30内
で発生した電子−正孔対は、空乏層内の電界により加速
されて電極8b,9に達し、光電流として外部回路で観
測される。一方、空乏層30の外側の光吸収層3内で発
生した電子−正孔対は、拡散により空乏層に達して光電
流に寄与する。
In the light receiving element having the above structure, a reverse voltage, that is, a negative voltage is applied to the electrode 8b and a positive voltage is applied to the electrode 9 between the electrodes 8b and 9. In such a reverse bias state, the depletion layer 30 at the boundary of the p-type diffusion layer 6 spreads mainly in the InGaAs light absorption layer 3. In this state, the light having a predetermined wavelength that has entered from the light receiving portion is not absorbed by the InP substrate 1 and the buffer layer 2 but reaches the light absorption layer 3 and is absorbed, and an electron-hole pair is generated. Of these, the electron-hole pairs generated in the depletion layer 30 are accelerated by the electric field in the depletion layer, reach the electrodes 8b and 9, and are observed as a photocurrent in an external circuit. On the other hand, the electron-hole pairs generated in the light absorption layer 3 outside the depletion layer 30 reach the depletion layer by diffusion and contribute to the photocurrent.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構造の
PINフォトダイオードにあっては、ダイオードの応答
速度を制限する主な要因として、受光部に寄生する接合
容量と寄生抵抗によるCR時定数と、光吸収で発生した
電子−正孔対の走行時間の2つがある。このうちCR時
定数による制限については、受光部(p型拡散層6)の
面積を低減して接合容量を小さくするとともに、電極の
接触抵抗を小さくしたり基板表面に形成された保護膜7
とその上の電極8bとからなるMIS(金属−絶縁膜−
半導体)構造の容量を低減することにより高速化を図る
ことができる。
By the way, in the PIN photodiode having the above-mentioned structure, the main factor limiting the response speed of the diode is the junction capacitance parasitic on the light receiving portion and the CR time constant due to the parasitic resistance. There are two transit times of electron-hole pairs generated by light absorption. Regarding the limitation due to the CR time constant, the area of the light receiving portion (p-type diffusion layer 6) is reduced to reduce the junction capacitance, the contact resistance of the electrode is reduced, and the protective film 7 formed on the substrate surface is reduced.
And an electrode 8b on the MIS (metal-insulating film-
Higher speed can be achieved by reducing the capacitance of the (semiconductor) structure.

【0006】しかるに、光吸収で発生した電子−正孔対
の走行時間による高速化の制限については、電子−正孔
対の走行距離を小さくすることで対応できるものの走行
距離を小さくするには光吸収層3の厚さを小さくするか
p型拡散層6の径を小さくしなければならない。ところ
が、光吸収層3の厚さを薄くすると、空乏層30の厚さ
が薄くなるため逆に接合容量は増大してしまうので、応
答速度を速くするには光吸収層3の厚さをあまり薄くす
ることはできない。
However, the limitation of speeding up due to the traveling time of the electron-hole pair generated by light absorption can be dealt with by reducing the traveling distance of the electron-hole pair, but in order to reduce the traveling distance, the It is necessary to reduce the thickness of the absorption layer 3 or the diameter of the p-type diffusion layer 6. However, when the thickness of the light absorbing layer 3 is reduced, the thickness of the depletion layer 30 is also reduced, and conversely the junction capacitance is increased. Therefore, to increase the response speed, the thickness of the light absorbing layer 3 is too small. It cannot be thinned.

【0007】一方、p型拡散層6の径を小さくすると空
乏層30の外側で発生する電子−正孔対の割合が大きく
なってしまう。そのため、空乏層30から離れた領域で
発生した正孔は拡散で空乏層に達して光電流に寄与する
が、拡散速度が遅いため光電流に寄与するまでの時間に
遅れが生じる。その結果、図5に示すようなパルス状の
光信号が入射したときに図6に実線Bで示すごとく光電
流波形の立下りが遅れていわゆる裾引きが生じ、高速の
応答ができないという問題点があることがわかった。本
発明は上記のような問題点に着目してなされたもので、
その目的とするところは、高速で高強度変調された入射
光に対して高速度で応答可能なPINフォトダイオード
を提供することにある。
On the other hand, if the diameter of the p-type diffusion layer 6 is reduced, the ratio of electron-hole pairs generated outside the depletion layer 30 increases. Therefore, the holes generated in the region away from the depletion layer 30 reach the depletion layer by diffusion and contribute to the photocurrent, but the diffusion speed is slow, so that the time until it contributes to the photocurrent is delayed. As a result, when a pulsed optical signal as shown in FIG. 5 is incident, the trailing edge of the photocurrent waveform is delayed as shown by the solid line B in FIG. I found out that there is. The present invention has been made focusing on the above problems,
It is an object of the invention to provide a PIN photodiode capable of responding at high speed to incident light which is modulated at high speed and with high intensity.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体基板
上にバッファ層を介して形成された第1の導電型の半導
体層からなる光吸収層の上に、該光吸収層よりも禁制帯
幅の大きな第1の導電型の半導体層からなるキャップ層
が形成されているとともに、該キャップ層の一部には第
2の導電型の拡散領域が形成され、この拡散領域の表面
には電極が接触されているとともに、上記半導体基板の
裏面には光が入射可能な窓部が形成されてなる受光素子
において、上記光吸収層とバッファ層との間には拡散領
域の外側を覆うように半導体多層膜からなる光反射層を
形成したものである。また、基板表面側には、誘電体膜
と金属膜とからなる反射鏡構造を形成する。さらに、光
が入射する基板裏面の入射窓部にはレンズ構造を一体に
形成するようにする。また、上記受光素子の電極と拡散
領域表面との間には上記キャップ層よりも禁制帯幅の小
さな第2の導電型の半導体からなるコンタクト層を形成
する。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a forbidden band is provided on a light absorption layer formed of a semiconductor layer of a first conductivity type formed on a semiconductor substrate with a buffer layer interposed therebetween. A cap layer composed of a semiconductor layer of the first conductivity type having a large width is formed, a diffusion region of the second conductivity type is formed in a part of the cap layer, and an electrode is formed on the surface of the diffusion region. And a light receiving element in which a window through which light can enter is formed on the back surface of the semiconductor substrate, and the outside of the diffusion region is covered between the light absorption layer and the buffer layer. A light reflection layer made of a semiconductor multilayer film is formed. Further, a reflecting mirror structure including a dielectric film and a metal film is formed on the front surface side of the substrate. Further, a lens structure is integrally formed on the entrance window portion on the back surface of the substrate where light is incident. Further, a contact layer made of a second conductive type semiconductor having a band gap smaller than that of the cap layer is formed between the electrode of the light receiving element and the surface of the diffusion region.

【0009】[0009]

【作用】上記した手段によれば、光反射層が受光部とし
ての空乏層の外側の光吸収層に光が入射するのを抑え
て、空乏層から離れた領域で電子−正孔対が発生するの
を防止できるため、光電流波形の立下りが急峻となり、
高速応答が可能なPINフォトダイオードを得ることが
できる。また、基板表面側には、誘電体膜と金属膜とか
らなる反射鏡構造を形成するようにしたので、入射して
空乏層を通過しても吸収されずに基板表面に達する光は
入射量の50%近くあるが、吸収されなかった光は基板
表面で反射されて再び空乏層を通過し、それでも吸収さ
れなかった光の一部は光反射層に到達して反射されこれ
を繰り返すことにより従来の素子に比べて吸収される光
の量が大幅に増加して、素子の感度も向上されるように
なる。
According to the above means, the light reflection layer suppresses the incidence of light on the light absorption layer outside the depletion layer as the light receiving portion, and the electron-hole pair is generated in the region away from the depletion layer. Since it can be prevented, the fall of the photocurrent waveform becomes sharp,
A PIN photodiode capable of high-speed response can be obtained. In addition, since a reflecting mirror structure composed of a dielectric film and a metal film is formed on the substrate surface side, the amount of light that reaches the substrate surface without being absorbed even if it enters and passes through the depletion layer is incident. The light that is not absorbed is reflected by the surface of the substrate and passes through the depletion layer again, but a part of the light that is still not absorbed reaches the light reflection layer and is reflected. As compared with the conventional device, the amount of light absorbed is significantly increased, and the sensitivity of the device is improved.

【0010】さらに、光が入射する基板裏面の入射窓部
にはレンズ構造を一体に形成するようにしたので、受光
部としての空乏層の面積を大きくすることなく空乏層の
外側の光吸収層で発生する電子−正孔対の割合を減らし
て光電流波形の立下りの遅れを防止し、さらに素子の応
答性を向上させることができる。また、上記受光素子の
電極と拡散領域表面との間には上記キャップ層よりも禁
制帯幅の小さな第2の導電型の半導体からなるコンタク
ト層を形成するようにしたので、直接キャップ層にオー
ミック電極を接触させている従来の素子に比べて接触抵
抗の小さな電極が形成でき、CR時定数で決まる素子の
遮断周波数を高め、さらに素子の応答性を向上させるこ
とができる。
Further, since the lens structure is integrally formed in the entrance window portion on the back surface of the substrate where the light is incident, the light absorption layer outside the depletion layer can be formed without increasing the area of the depletion layer as the light receiving portion. It is possible to prevent the delay of the trailing edge of the photocurrent waveform by reducing the ratio of the electron-hole pairs generated in 1) and further improve the response of the device. Further, since the contact layer made of the second conductive type semiconductor having a band gap smaller than that of the cap layer is formed between the electrode of the light receiving element and the surface of the diffusion region, the ohmic contact is directly formed on the cap layer. It is possible to form an electrode having a smaller contact resistance than that of the conventional element in which the electrodes are in contact, the cutoff frequency of the element determined by the CR time constant can be increased, and the response of the element can be improved.

【0011】[0011]

【実施例】以下、図面を用いて本発明をInPを基板と
するPINフォトダイオードに適用した場合の実施例を
説明する。図3には本発明に係るPINフォトダイオー
ドの一実施例が示されている。同図において図4に示さ
れている符号と同一符号は同一または相当部分を示す。
この実施例では、InP基板1の裏面(図では上面)に
レンズ部11が形成され、レンズ部11の表面に窒化シ
リコンからなる反射防止膜10が、またレンズ部11の
外側の基板表面にはオーミック電極9が形成されてい
る。そして、InP基板1の表面(図では下面)には、
n型InPバッファ層2と、互いに屈折率の異なる半導
体層を多数積層させた半導体多層膜(例えばInP(膜
厚50Å)/InGaAsP(膜厚30Å)を20対積層
させた構造)からなる光反射層12と、n型InP第2
キャップ層13とが順に形成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment in which the present invention is applied to a PIN photodiode using InP as a substrate will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 shows an embodiment of a PIN photodiode according to the present invention. In the figure, the same reference numerals as those shown in FIG. 4 indicate the same or corresponding portions.
In this embodiment, the lens portion 11 is formed on the back surface (the upper surface in the figure) of the InP substrate 1, the antireflection film 10 made of silicon nitride is formed on the surface of the lens portion 11, and the substrate surface outside the lens portion 11 is formed. The ohmic electrode 9 is formed. Then, on the surface (the lower surface in the figure) of the InP substrate 1,
Light reflection consisting of an n-type InP buffer layer 2 and a semiconductor multilayer film in which a large number of semiconductor layers having different refractive indexes are laminated (for example, a structure in which 20 pairs of InP (film thickness 50Å) / InGaAsP (film thickness 30Å) are laminated) Layer 12 and n-type InP second
The cap layer 13 is sequentially formed.

【0012】また、上記光反射層12の中央には、上記
第2キャップ層13形成後にプラスマCVD法による窒
化シリコン膜をマスクにして硫黄を選択拡散させること
により混晶化させた窓部12aが形成されている。さら
に、上記第2キャップ層13の下面には、n型InP中
間バッファ層14と、n型InGaAs光吸収層3と、
n型InP第1キャップ層4とが順に形成されている。
そして、上記第1キャップ層4の一部には、Znのよう
なp型不純物が拡散され上記n型InGaAs光吸収層
3との界面に達するようなp型拡散層6が設けられてい
る。また、第1キャップ層4の表面には窒化シリコンか
らなる表面保護膜7が形成され、この表面保護膜のp型
拡散層6に対応する部分には開口部が形成されて開口部
内側のp型拡散層6周縁には第1キャップ層4よりも禁
制帯幅の小さなp型InGaAsからなるリング状のコ
ンタクト層15を介してAu/Zn構造のオーミック電
極8aが形成されている。これとともに、コンタクト層
15および電極8aの内側の受光部6の表面側には、酸
化シリコンからなる誘電体膜16と、周辺が上記オーミ
ック電極8aに接触するAu等の金属電極8bとからな
る反射鏡構造が形成されている。
Further, in the center of the light reflection layer 12, there is provided a window portion 12a which is made to be a mixed crystal by selectively diffusing sulfur with the silicon nitride film formed by the plasma CVD method as a mask after the formation of the second cap layer 13. Has been formed. Further, on the lower surface of the second cap layer 13, an n-type InP intermediate buffer layer 14, an n-type InGaAs light absorption layer 3,
The n-type InP first cap layer 4 is sequentially formed.
A p-type diffusion layer 6 is provided in a part of the first cap layer 4 so that a p-type impurity such as Zn is diffused and reaches the interface with the n-type InGaAs light absorption layer 3. Further, a surface protective film 7 made of silicon nitride is formed on the surface of the first cap layer 4, and an opening is formed in a portion of the surface protective film corresponding to the p-type diffusion layer 6, so that the p inside the opening is formed. An ohmic electrode 8a of Au / Zn structure is formed on the periphery of the type diffusion layer 6 via a ring-shaped contact layer 15 made of p-type InGaAs having a band gap smaller than that of the first cap layer 4. At the same time, on the surface side of the light receiving portion 6 inside the contact layer 15 and the electrode 8a, a reflection is formed of a dielectric film 16 made of silicon oxide and a metal electrode 8b such as Au whose periphery is in contact with the ohmic electrode 8a. A mirror structure is formed.

【0013】この実施例のPINフォトダイオードにあ
っては、素子の上方から全体に亘って入射光が照射され
ても、レンズ部11によって光吸収層3の境界の空乏層
30の部分に集中的に光が入射されるとともに、空乏層
30の外側の領域ではバッファ層2の下に設けられた光
反射層12が入射光を反射するため、空乏層30から離
れた領域で電子−正孔対が発生するのを抑制できる。そ
のため、空乏層から離れた領域で生じた正孔が拡散で空
乏層に達し、光電流に寄与する量を著しく減らすことが
でき、これによって図7に破線Aで示すごとく光電流波
形の立下りが急峻となり、高速で高強度変調された入射
光に対して高速応答が可能となる。しかも、この実施例
では、p型拡散層6の下方に反射鏡構造が形成されてい
るため、空乏層30で吸収されずに透過してしまった光
(約50%)が反射されて再び空乏層30を通過して吸
収され、それでも吸収されなかった光の一部は光反射層
12に到達して反射されこれを繰り返すことにより次第
に吸収されて光電流に寄与するようになり、従来の素子
に比べて吸収される光の量が大幅に増加して出力が増大
し、素子の感度も向上する。
In the PIN photodiode of this embodiment, even if the incident light is radiated from the upper side of the element to the entire area, the lens portion 11 concentrates on the depletion layer 30 at the boundary of the light absorption layer 3. Light is incident on the depletion layer 30, and the light reflection layer 12 provided under the buffer layer 2 reflects incident light in a region outside the depletion layer 30, so that an electron-hole pair is formed in a region away from the depletion layer 30. Can be suppressed. Therefore, the amount of holes generated in a region apart from the depletion layer reaching the depletion layer by diffusion and significantly contributing to the photocurrent can be significantly reduced, and as a result, as shown by a broken line A in FIG. Becomes steep, and high-speed response is possible to incident light that is high-intensity-modulated at high speed. Moreover, in this embodiment, since the reflecting mirror structure is formed below the p-type diffusion layer 6, the light (about 50%) which is transmitted without being absorbed by the depletion layer 30 is reflected and depleted again. A part of the light that has passed through the layer 30 and is not absorbed, reaches the light reflection layer 12, is reflected, and by repeating this, it is gradually absorbed and contributes to the photocurrent. The amount of light absorbed is significantly increased, the output is increased, and the sensitivity of the device is improved.

【0014】また、この実施例では、オーミック電極8
aとp型拡散層6の表面との間に、第1キャップ層4よ
りも禁制帯幅の小さな半導体からなるコンタクト層16
を形成するようにしたので、オーミック電極8aの接触
抵抗が小さくなり、CR時定数で決まる素子の遮断周波
数が高くなって、素子の応答性が向上する。さらに、上
記実施例では、光反射層9を互いに屈折率の異なる半導
体層を多数積層させた半導体多層膜(InP(膜厚50
Å)/InGaAsP(膜厚30Å)を20対積層させた
構造)で構成しているため、プロセスの整合性が良く、
光反射層12を有するダイオードを安価に製造すること
ができる。なお、上記実施例では、バッファ層2の下に
光反射層12を形成しているが、基板1の表面(図では
下面)に直接光反射層12を形成するようにしても良
い。
Further, in this embodiment, the ohmic electrode 8
Between the a and the surface of the p-type diffusion layer 6, a contact layer 16 made of a semiconductor having a band gap smaller than that of the first cap layer 4.
Since the contact resistance of the ohmic electrode 8a is reduced, the cutoff frequency of the element determined by the CR time constant is increased, and the response of the element is improved. Further, in the above-described embodiment, the light reflection layer 9 is a semiconductor multilayer film (InP (film thickness 50
Å) / InGaAsP (thickness 30 Å) is laminated in 20 pairs), the process consistency is good,
The diode having the light reflection layer 12 can be manufactured at low cost. Although the light reflecting layer 12 is formed under the buffer layer 2 in the above-mentioned embodiment, the light reflecting layer 12 may be formed directly on the surface (lower surface in the figure) of the substrate 1.

【0015】次に、上記PINフォトダイオードの製造
プロセスの一例について説明する。先ず、基板上ににM
OVPE法(有機金属気相エピタキシャル成長法)によ
って、n型もしくはノンドープのInPバッファ層2
と、InP(膜厚50Å)/InGaAsP(膜厚30Å)
を20対積層させた半導体多層膜からなる光反射層12
と、n型InP第2キャップ層13とを順に成長させ
る。それから上記キャップ層13の表面にプラズマCV
D法により窒化シリコン膜20を形成し、この窒化シリ
コン膜20に開口部20aを形成してからこれをマスク
とし、上記キャップ層13および光反射層12の中央
(レンズ部11に対応する部分)にS(硫黄)を選択的
に拡散させて、光反射層12の一部を混晶化させる。す
ると、混晶化された光反射層12の半導体多層膜は光を
透過させるようになり、光反射層12の中央に第2の入
射窓部12aが形成される(図1参照)。
Next, an example of the manufacturing process of the PIN photodiode will be described. First, M on the substrate
The n-type or non-doped InP buffer layer 2 is formed by the OVPE method (organic metal vapor phase epitaxial growth method).
And InP (film thickness 50Å) / InGaAsP (film thickness 30Å)
Light reflection layer 12 made of a semiconductor multilayer film in which 20 pairs of
And the n-type InP second cap layer 13 are sequentially grown. Then, plasma CV is formed on the surface of the cap layer 13.
The silicon nitride film 20 is formed by the D method, the opening 20a is formed in the silicon nitride film 20, and the opening 20a is used as a mask, and the center of the cap layer 13 and the light reflection layer 12 (the portion corresponding to the lens portion 11) is formed. Then, S (sulfur) is selectively diffused to partially mix the light reflection layer 12 with a mixed crystal. Then, the mixed crystal semiconductor multilayer film of the light-reflecting layer 12 transmits light, and the second incident window portion 12a is formed in the center of the light-reflecting layer 12 (see FIG. 1).

【0016】次に、マスクとなった上記第2キャップ層
13表面の窒化シリコン膜20をフッ酸系のエッチャン
トにより除去した後、第2キャップ層13の表面にMO
VPE法によりn型InP層14と、n型もしくはノン
ドープのInGaAs光吸収層3と、同じくn型もしく
はノンドープのInP第1キャップ層4と、コンタクト
層用InGaAs層15を順に成長させる。それから上
記コンタクト層用InGaAs層15の表面にプラズマ
CVD法により窒化シリコン膜21を形成し、この窒化
シリコン膜4に開口部21aを形成してからこれをマス
クとし、かつ拡散源としてZnP2を用いて基板表面に
p型不純物であるZnを拡散させ、上記n型InGaA
s光吸収層3との界面に達するようなp型拡散層6を形
成する(図2参照)。
Next, after removing the silicon nitride film 20 on the surface of the second cap layer 13 serving as a mask with a hydrofluoric acid-based etchant, the surface of the second cap layer 13 is MO-coated.
An n-type InP layer 14, an n-type or non-doped InGaAs light absorption layer 3, a similar n-type or non-doped InP first cap layer 4, and an InGaAs layer 15 for a contact layer are sequentially grown by the VPE method. Then, a silicon nitride film 21 is formed on the surface of the contact layer InGaAs layer 15 by a plasma CVD method, an opening 21a is formed in the silicon nitride film 4, and this is used as a mask, and ZnP 2 is used as a diffusion source. Zn, which is a p-type impurity, is diffused on the substrate surface by
s The p-type diffusion layer 6 is formed so as to reach the interface with the light absorption layer 3 (see FIG. 2).

【0017】その後、上記コンタクト層用InGaAs
層15の表面の窒化シリコン膜21を除去し、p型拡散
層6表面周縁部にのみInGaAs層が残るように選択
エッチングしてリング状のコンタクト層15を形成して
から、表面にプラズマCVD法により窒化シリコン膜を
形成し、p型拡散層6表面の外側の窒化シリコン膜を除
去して、表面保護膜7を形成する。それから、Au/Z
n層を基板表面側に全面的に蒸着した後、上記コンタク
ト層15上にのみAu/Zn層が残るように選択エッチ
ングを行なってリング状のオーミック電極8aを形成し
てから、このオーミック電極8aの内側に酸化シリコン
からなる誘電体膜16を形成し、さらにこの誘電体膜1
6の上に、上記オーミック電極8aに接触するAuから
なるp側電極8bを形成する。裏面(図では上面)にレ
ンズ部11を有するInP基板1の裏面にAuGe合金
等の金属からなるn側電極9を形成し、その中央のレン
ズ部11に対応して光入射用開口部9aを開けてから、
その内側に反射率が最小となるように膜厚を制御した窒
化シリコンからなる反射防止膜10を形成する(図
3)。
Then, InGaAs for the contact layer is formed.
The silicon nitride film 21 on the surface of the layer 15 is removed, the ring-shaped contact layer 15 is formed by selective etching so that the InGaAs layer remains only on the peripheral portion of the surface of the p-type diffusion layer 6, and then the plasma CVD method is performed on the surface. Thus, a silicon nitride film is formed, the silicon nitride film outside the surface of the p-type diffusion layer 6 is removed, and the surface protective film 7 is formed. Then Au / Z
After the n layer is entirely vapor-deposited on the surface side of the substrate, selective etching is performed so that the Au / Zn layer remains only on the contact layer 15 to form a ring-shaped ohmic electrode 8a, and then the ohmic electrode 8a is formed. A dielectric film 16 made of silicon oxide is formed on the inside of the
On p. 6, a p-side electrode 8b made of Au that contacts the ohmic electrode 8a is formed. An n-side electrode 9 made of a metal such as AuGe alloy is formed on the back surface of the InP substrate 1 having a lens portion 11 on the back surface (upper surface in the figure), and a light incident opening 9a is formed corresponding to the lens portion 11 at the center thereof. After opening
An antireflection film 10 made of silicon nitride having a film thickness controlled so as to have a minimum reflectance is formed inside thereof (FIG. 3).

【0018】上記実施例のPINフォトダイオードにあ
っては、p型拡散層6の表面に半導体−誘電体−金属の
3層からなる反射鏡構造が形成され、p型拡散層6側か
ら来た光はここで反射されるようになる。上記構造にお
いて、誘電体膜16の厚さを、誘電体膜の屈折率をn、
検知したい光の波長をλとしたときにλ/4nの(2m
+1)倍とする(ただしmは正の整数)と、反射率を最
大にすることができる。ちなみに、誘電体膜16が酸化
シリコンからなり、検知波長帯が1.3μmの場合に
は、誘電体膜16の厚みを2140Åにすると反射率9
7%が得られる。なお、上記実施例では、InPを基板
とするPINフォトダイオードに適用した場合について
説明したが、GaAsを基板とする受光ダイオードその
他の光半導体装置に適用することができる。
In the PIN photodiode of the above-mentioned embodiment, a reflecting mirror structure consisting of three layers of semiconductor-dielectric-metal is formed on the surface of the p-type diffusion layer 6 and comes from the p-type diffusion layer 6 side. Light will be reflected here. In the above structure, the thickness of the dielectric film 16 is set to n, the refractive index of the dielectric film is set to n,
When the wavelength of the light to be detected is λ, λ / 4n (2m
The reflectivity can be maximized by multiplying by +1 (where m is a positive integer). Incidentally, when the dielectric film 16 is made of silicon oxide and the detection wavelength band is 1.3 μm, when the thickness of the dielectric film 16 is set to 2140Å, the reflectance is 9
7% is obtained. In addition, in the above-described embodiment, the case where the invention is applied to the PIN photodiode using InP as a substrate has been described, but the invention can be applied to a light receiving diode using GaAs as a substrate and other optical semiconductor devices.

【0019】[0019]

【発明の効果】以上説明したようにこの発明は、半導体
基板上にバッファ層を介して形成された第1の導電型の
半導体層からなる光吸収層の上に、該光吸収層よりも禁
制帯幅の大きな第1の導電型の半導体層からなるキャッ
プ層が形成されているとともに、該キャップ層の一部に
は第2の導電型の拡散領域が形成され、この拡散領域の
表面には電極が接触されているとともに、上記半導体基
板の裏面には光が入射可能な窓部が形成されてなる受光
素子において、上記光吸収層とバッファ層との間には拡
散領域の外側を覆うように半導体多層膜からなる光反射
層を形成するようにしたので、光反射層が受光部として
の空乏層の外側の光吸収層に光が入射するのを抑えて、
空乏層から離れた領域で電子−正孔対が発生するのを防
止できるため、光電流波形の立下りが急峻となり、高速
応答が可能なPINフォトダイオードを得ることができ
るという効果がある。
As described above, according to the present invention, a light absorption layer formed of a first conductive type semiconductor layer formed on a semiconductor substrate with a buffer layer interposed between the light absorption layer and the light absorption layer is more forbidden than the light absorption layer. A cap layer made of a semiconductor layer of the first conductivity type having a large band width is formed, a diffusion region of the second conductivity type is formed in a part of the cap layer, and a surface of the diffusion region is formed. In a light receiving element in which electrodes are in contact with each other and a window through which light can be incident is formed on the back surface of the semiconductor substrate, an outer side of a diffusion region is covered between the light absorption layer and the buffer layer. Since the light reflection layer made of the semiconductor multilayer film is formed in the light reflection layer, the light reflection layer suppresses light from entering the light absorption layer outside the depletion layer as the light receiving portion,
Since it is possible to prevent the generation of electron-hole pairs in the region away from the depletion layer, the photocurrent waveform has a steep falling edge, and a PIN photodiode capable of high-speed response can be obtained.

【0020】また、基板表面側には、誘電体膜と金属膜
とからなる反射鏡構造を形成するようにしたので、入射
して空乏層を通過しても吸収されずに基板表面に達する
光は入射量の50%近くあるが、吸収されなかった光は
基板表面で反射されて再び空乏層を通過し、それでも吸
収されなかった光の一部は光反射層に到達して反射され
これを繰り返すことにより従来の素子に比べて吸収され
る光の量が大幅に増加して、素子の感度も向上されるよ
うになる。
Further, since the reflecting mirror structure composed of the dielectric film and the metal film is formed on the surface side of the substrate, light reaching the surface of the substrate without being absorbed even if it enters and passes through the depletion layer. Is about 50% of the incident amount, but the unabsorbed light is reflected by the substrate surface and passes through the depletion layer again, and a part of the unabsorbed light reaches the light reflection layer and is reflected. By repeating this, the amount of light absorbed is significantly increased as compared with the conventional device, and the sensitivity of the device is also improved.

【0021】さらに、光が入射する基板裏面の入射窓部
にはレンズ構造を一体に形成するようにしたので、受光
部としての空乏層の面積を大きくすることなく空乏層の
外側の光吸収層で発生する電子−正孔対の割合を減らし
て光電流波形の立下りの遅れを防止し、さらに素子の応
答性を向上させることができる。また、上記受光素子の
電極と拡散領域表面との間には上記キャップ層よりも禁
制帯幅の小さな第2の導電型の半導体からなるコンタク
ト層を形成するようにしたので、直接キャップ層にオー
ミック電極を接触させている従来の素子に比べて接触抵
抗の小さな電極が形成でき、CR時定数で決まる素子の
遮断周波数を高め、さらに素子の応答性を向上させるこ
とができるという効果がある。
Further, since the lens structure is integrally formed in the entrance window portion on the back surface of the substrate where the light is incident, the light absorption layer outside the depletion layer can be formed without increasing the area of the depletion layer as the light receiving portion. It is possible to prevent the delay of the trailing edge of the photocurrent waveform by reducing the ratio of the electron-hole pairs generated in 1) and further improve the response of the device. Further, since the contact layer made of the second conductive type semiconductor having a band gap smaller than that of the cap layer is formed between the electrode of the light receiving element and the surface of the diffusion region, the ohmic contact is directly formed on the cap layer. It is possible to form an electrode having a smaller contact resistance than that of a conventional element in which the electrodes are in contact, increase the cutoff frequency of the element determined by the CR time constant, and further improve the responsiveness of the element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明をInPを基板とするPINフォトダイ
オードに適用した場合の一実施例製造プロセスの工程を
示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the steps of an example manufacturing process when the present invention is applied to a PIN photodiode using InP as a substrate.

【図2】本発明をInPを基板とするPINフォトダイ
オードに適用した場合の一実施例の製造プロセスの工程
を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the steps of a manufacturing process of an example when the present invention is applied to a PIN photodiode using InP as a substrate.

【図3】本発明をInPを基板とするPINフォトダイ
オードに適用した場合の一実施例の構造を示す断面図で
ある。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of an example when the present invention is applied to a PIN photodiode using InP as a substrate.

【図4】従来のPINフォトダイオードの一例を示す断
面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing an example of a conventional PIN photodiode.

【図5】PINフォトダイオードへの入射光の変化を示
す波形図である。
FIG. 5 is a waveform diagram showing a change in incident light on a PIN photodiode.

【図6】従来および本発明のPINフォトダイオードに
おける光電流の変化を示す波形図である。
FIG. 6 is a waveform diagram showing changes in photocurrent in the conventional PIN photodiode and the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 3 光吸収層 4 キャップ層 6 p型拡散層 7 表面保護膜 12 光反射膜 16 コンタクト層 1 substrate 3 light absorption layer 4 cap layer 6 p-type diffusion layer 7 surface protection film 12 light reflection film 16 contact layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神田 裕之 埼玉県戸田市新曽南3丁目17番35号 日本 鉱業株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hiroyuki Kanda 3-17-35, Shinsōnan, Toda City, Saitama Prefecture Japan Mining Co., Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上にバッファ層を介して形成
された第1の導電型の半導体層からなる光吸収層の上
に、該光吸収層よりも禁制帯幅の大きな第1の導電型の
半導体層からなるキャップ層が形成されているととも
に、該キャップ層の一部には第2の導電型の拡散領域が
形成され、この拡散領域の表面には電極が接触されて、
上記半導体基板の裏面には光が入射可能な窓部が形成さ
れてなる半導体受光素子において、上記光吸収層とバッ
ファ層との間には拡散領域の外側を覆うように半導体多
層膜からなる光反射層を形成してなることを特徴とする
半導体受光素子。
1. A first conductivity type having a forbidden band width larger than that of the light absorption layer, which is formed on a semiconductor substrate via a buffer layer and is formed of a semiconductor layer of the first conductivity type. And a second conductive type diffusion region is formed in a part of the cap layer, and an electrode is brought into contact with the surface of the diffusion region.
In a semiconductor light receiving element in which a window through which light can enter is formed on the back surface of the semiconductor substrate, a light formed of a semiconductor multilayer film is provided between the light absorption layer and the buffer layer so as to cover the outside of the diffusion region. A semiconductor light-receiving element comprising a reflective layer.
【請求項2】 上記基板の表面側には、誘電体膜と金属
膜とからなる反射鏡構造が形成されてなることを特徴と
する請求項1記載の半導体受光素子。
2. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein a reflecting mirror structure including a dielectric film and a metal film is formed on the front surface side of the substrate.
【請求項3】 光が入射される基板裏面の入射窓部には
レンズ構造が一体に形成されてなることを特徴とする請
求項1または請求項2記載の半導体受光素子。
3. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein a lens structure is integrally formed in an incident window portion on the back surface of the substrate on which light is incident.
【請求項4】 上記電極と上記拡散領域表面との間には
上記キャップ層よりも禁制帯幅の小さな第2の導電型の
半導体からなるコンタクト層が形成されていることを特
徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の半導
体受光素子。
4. A contact layer made of a second conductive type semiconductor having a band gap smaller than that of the cap layer is formed between the electrode and the surface of the diffusion region. The semiconductor light receiving element according to claim 1, claim 2 or claim 3.
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