JPH0537002A - 受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 ＩｎＰ基板１上に形成されたｎ型ＩｎＰ層か
らなる光吸収層３の上に、該光吸収層よりも禁制帯幅の
大きなＩｎＧａＡｓ層からなり表面が窒化シリコン膜で
覆われてなるウィンド層４が形成されているとともに、
該ウィンド層の一部にはｐ型の拡散領域からなる受光部
６が形成され、この受光部に対応して上記保護膜７ａに
光が透過可能な窓部が形成されかつ受光部の表面の一部
には電極が接触されてなる受光素子において、上記ウィ
ンド層４となる半導体層を、上記光吸収層３よりも禁制
帯幅の大きくかつ光吸収層３とヘテロ接合する半導体か
ら、上記保護膜と接したときに界面準位密度が小となる
半導体へと格子不整合を起こさずに組成が変化する組成
変化層とした。 【効果】 ウィンド層とその表面の保護膜との界面準位
密度が低くなるため、表面暗電流を抑制でき、広帯域の
光通信で高感度で低雑音の光検出が可能なＰＩＮフォト
ダイオードが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【０００２】

【従来の技術】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に示すようなものが
ある。すなわち、ＩｎＰ基板１の上にハイドライド気相
エピタキシャル成長法によってｎ型ＩｎＰバッファ層２
とｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３とｎ型ＩｎＰウィンド層
４を順に成長させる。そして、上記ＩｎＰウィンド層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型拡散層からなる受光部６を形成する。さらに、ウィ
ンド層４の表面には窒化シリコン膜からなる保護膜７ａ
を、また受光部の表面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７ｂを、
プラズマＣＶＤ法によりそれぞれ形成する。そして、基
板の上面側には上記受光部６の一部（周辺）に接触する
オーミック電極８ａを、また基板１の裏面にはオーミッ
ク電極８ｂをそれぞれ形成するというものである。

【０００３】なお、上記ウィンド層４は光吸収層３のＩ
ｎＧａＡｓよりも禁制帯幅の大きなＩｎＰで形成され
る。これによって、波長がλｇ１（ＩｎＰ）よりも大き
くλｇ２（ＩｎＧａＡｓ）よりも小さい光は表面のウィ
ンド層４で吸収されずに光吸収層３まで達して吸収され
る。また、上記構造の受光素子にあっては、上記電極８
ａ，８ｂ間に逆方向電圧すなわち電極８ａに負の電圧を
また電極８ｂに正の電圧を印加したときに、光吸収層３
に充分に空乏層が広がるようにバイアスされる。これに
よって、入射した光が光吸収層３で吸収されることによ
り発生した電子−正孔対による少数キャリアはヘテロ接
合障壁を乗り越えることができないため、表面での再結
合による影響をなくすることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
造のＰＩＮフォトダイオードにあっては、ウィンド層４
表面の保護膜７ａは基板表面からのＰ（リン）の解離を
防止するため、低温のプラズマＣＶＤ法により形成され
る。そのため、その成膜条件を最適化してもウィンド層
４表面にダメージが生じ、保護膜７ａとウィンド層４と
の界面準位密度（表面準位密度）が高くなって、表面暗
電流が増加するというという問題点があることが分かっ
た。なお、暗電流が多いと、光通信において、広帯域の
伝送に応用した際、雑音が多くなり高感度の光検出がで
きない。

【０００５】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、広帯域の光通
信において高感度で低雑音の光検出が可能なＰＩＮフォ
トダイオードを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記暗電流
の発生メカニズムについて考察を行なった。以下、その
考察結果について説明する。すなわち、ウィンド層４の
表面は結晶が終端しているとともに、格子構造の全く異
なるＳｉＮｘ（窒化シリコン膜）からなる保護膜に接し
ているため、界面準位が禁制帯内に形成されてトラップ
として作用し、電子−正孔対の生成、再結合の中心とな
る。この場合、特に半導体の真性フェルミ準位Ｅｉの近
傍に生成、再結合の中心（トラップ準位）のエネルギ準
位Ｅｔがあると、電子−正孔対の生成、再結合過程への
貢献度が高くなる。ここで、理解を容易にするため、生
成、再結合の中心（トラップ準位）のエネルギ準位Ｅｔ
が真性フェルミ準位Ｅｉと等しく、正孔と電子の捕獲断
面積σｐとσｎが等しいと仮定しする。つまり、σｐ＝
σｎ＝σとすると、キャリアの表面準位における生成速
度Ｕｓは次式にて表される。すなわち、 Ｕｓ＝１／２・ｎｉ・σ・Ｖｔｈ・Ｎｓｔ である。ここで、ｎｉはウィンド層（ＩｎＰ）の真性キ
ャリア濃度、Ｖｔｈはキャリアの熱速度、Ｎｓｔは界面
準位密度である。従って、ウィンド層表面での暗電流Ｉ
ｄｓは、 Ｉｄｓ＝ｑ｜Ｕｓ｜Ａｓ＝１／２・ｑ・Ａｓ・ｎｉ・σ・Ｖｔｈ・Ｎｓｔ となる。ただし、ｑは電子の電荷量、Ａｓは表面に接す
る空乏層面積である。これより、暗電流Ｉｄｓは、界面
準位密度Ｎｓｔおよび空乏層面積Ａｓが大きいほど大き
くなることが分かる。

【０００７】ところで、窒化シリコン膜は一般に負
（−）に帯電しやすい。そのため、ウィンド層−光吸収
層のように拡散により形成されているｐ−ｎ接合構造の
場合、ｎ領域の表面近傍でエネルギバンドの曲がりが生
じ（図８参照）、表面に沿って電子濃度の低い層が生成
される。この表面近傍の電子濃度の低い領域は、ｐ−ｎ
接合に逆方向電圧を印加した際に、他の領域よりも電界
が加わり易いので、窒化シリコン膜を介して印加された
負電位によって表面近傍のｎ領域が空乏化する（図７参
照）。この空乏化した層２０は、図７に示すように、逆
方向電圧を高くするに従って拡がっていく。そして、表
面準位が半導体層と表面保護膜との界面に一様に存在す
ると、表面の暗電流Ｉｄｓは逆バイアス電圧が増大し表
面での空乏層面積Ａｓが増加するのに伴って増加する。
従って、ＰＩＮフォトダイオードにあっては、ウィンド
層とその表面の保護膜との界面準位密度（表面準位密
度）を低く抑えることができれば、表面暗電流を減らす
ことができる。

【０００８】この発明は、上記のような知見に基づいて
なされたもので、半導体基板上に形成された第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り表
面が保護膜で覆われてなるウィンド層が形成されている
とともに、該ウィンド層の一部には第２の導電型の拡散
領域からなる受光部が形成され、この受光部に対応して
上記保護膜に光が透過可能な窓部が形成されかつ受光部
の表面の一部には電極が接触されてなる受光素子におい
て、上記ウィンド層となる半導体層を、上記光吸収層よ
りも禁制帯幅の大きくかつ光吸収層とヘテロ接合する半
導体から、上記保護膜と接したときに界面準位密度が小
となる半導体へと格子不整合を起こさずに組成が変化す
る組成変化層とするようにしたものである。

【０００９】

【作用】上記した手段によれば、ウィンド層とその表面
の保護膜との界面準位密度が低くなるため、表面暗電流
を抑えることができ、広帯域の光通信において高感度で
低雑音の光検出が可能なＰＩＮフォトダイオードを得る
ことができる。また、上記ウィンド層の光吸収層との接
触側は、光吸収層よりも禁制帯幅が大きくかつ光吸収層
とヘテロ接合する半導体からなるので、ヘテロ接合にお
ける伝導帯のバンド不連続に伴いウィンド層と光吸収層
との界面近傍に蓄積される電子濃度を従来の素子と同一
に保つことができ、これによって界面近傍でのトンネル
電流によるツェナー型の降伏電圧の低下を防止し、耐圧
の劣化を回避することができる。

【００１０】

【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一実施例
を製造工程とともに説明する。先ず、ＩｎＰ基板１の上
にＭＯＶＰＥ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、同じくｎ型もしくはノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸
収層３と、組成変化層からなるウィンド層４を順に成長
させる。上記ウィンド層４はその下の光吸収層３と接す
る側が光吸収層３よりも禁制帯幅の大きなＩｎＰで、表
面側はその後形成される窒化シリコン膜からなる保護膜
との界面準位密度が小さなＩｎＡｌＡｓで、その間はＩ
ｎＡｌＡｓＰであり、格子不整合を起こさずに組成が変
化するようにＭＯＶＰＥ法で成長される（図１参照）。

【００１１】次に、上記ウィンド層４の表面にプラズマ
ＣＶＤ法により窒化シリコン膜５を形成し、この窒化シ
リコン膜５に開口部５ａを形成してからこれをマスクに
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ＩｎＧａＡｓ光吸
収層３との界面に達するようなｐ型拡散層からなる受光
部６を形成する（図２参照）。その後、上記ウィンド層
４の表面の窒化シリコン膜５を除去してから、窒化シリ
コンからなる表面保護膜７ａを受光部以外の部分を覆う
ように形成するとともに、受光する光の波長帯における
反射率が最小となるように屈折率および膜厚を制御した
窒化シリコンからなる反射防止膜７ｂを全面的に形成す
る。そして、反射防止膜７ｂに上記受光部６へのコンタ
クト穴１１を形成してから、アルミニウム等の金属層を
全面的に蒸着し、パターニングを行なって上記受光部６
に接触するオーミック電極８ａを形成する。また、基板
１の裏面には全面に接触するオーミック電極８ｂを形成
して完成する（図３参照）。

【００１２】図５には上記実施例のＰＩＮフォトダイオ
ードにおけるウィンド層から光吸収層にかけての禁制帯
のエネルギバンド構造を、また図６には従来のＰＩＮフ
ォトダイオードにおけるウィンド層から光吸収層にかけ
ての禁制帯のエネルギバンド構造を示す。図５および図
６より本実施例のＰＩＮフォトダイオードでは保護膜と
しての窒化シリコン膜に接触するウィンド層の組成がＩ
ｎＡｌＡｓとなっているため、ＩｎＰである従来のダイ
オードに比べて真性フェルミ準位Ｅｉおよび価電子帯上
端のエネルギレベルＥｖが表面側で下がっており、ウィ
ンド層と光吸収層との界面準位密度が低くなることが分
かる。

【００１３】さらに、上記実施例のＰＩＮフォトダイオ
ードにおいては、例えば波長１μｍの光が受光部６に入
射すると、表面側はＩｎＡｌＡｓとＩｎＡｌＡｓＰはＩ
ｎＰよりも禁制帯幅が大きいため光の吸収量はより少な
く、光吸収層３でより有効に光の吸収が行なわれるよう
になる。また、上記ウィンド層の光吸収層との接触側
は、従来の系と同様にＩｎＰからなるので、伝導帯にお
けるバンド不連続は同じであり、ヘテロ接合における伝
導帯のバンド不連続に伴いウィンド層と光吸収層との界
面近傍に蓄積される電子濃度を従来の素子と同一に保つ
ことができ、これによって界面近傍でのトンネル電流に
よるツェナー型の降伏電圧の低下を防止し、耐圧の劣化
を回避することができる。

【００１４】なお、上記実施例では、ＩｎＰを基板とす
る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。

【００１５】

【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り表面が保護膜で覆われてな
るウィンド層が形成されているとともに、該ウィンド層
の一部には第２の導電型の拡散領域からなる受光部が形
成され、この受光部に対応して上記保護膜に光が透過可
能な窓部が形成されかつ受光部の表面の一部には電極が
接触されてなる受光素子において、上記ウィンド層とな
る半導体層を、上記光吸収層よりも禁制帯幅の大きくか
つ光吸収層とヘテロ接合する半導体から、上記保護膜と
接したときに界面準位密度が小となる半導体へと格子不
整合を起こさずに組成が変化する組成変化層としたの
で、ウィンド層とその表面の保護膜との界面準位密度が
低くなるため、表面暗電流を抑えることができ、広帯域
の光通信において高感度で低雑音の光検出が可能なＰＩ
Ｎ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。

【００１６】また、上記ウィンド層の光吸収層との接触
側は、従来の系と同様にＩｎＰからなるので、伝導帯に
おけるバンド不連続は同じであり、ヘテロ接合における
伝導帯のバンド不連続に伴いウィンド層と光吸収層との
界面近傍に蓄積される電子濃度を従来の素子と同程度に
保つことができ、これによって界面近傍でのトンネル電
流によるツェナー型の降伏電圧の低下を防止し、耐圧の
劣化を回避することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【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の製造プロセスの第１
工程を示す断面図である。

【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第２
工程を示す断面図である。

【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製造プロセスの最終
工程を示す断面図である。

【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。

【図５】本発明に係るＰＩＮフォトダイオードにおける
ウィンド層から光吸収層にかけての禁制帯のエネルギバ
ンド構造図である。

【図６】従来のＰＩＮフォトダイオードにおけるウィン
ド層から光吸収層にかけての禁制帯のエネルギバンド構
造図である。

【図７】ＰＩＮフォトダイオードにおける暗電流の発生
メカニズムを説明するための断面模式図である。

【図８】ＰＩＮフォトダイオードにおける暗電流の発生
メカニズムを説明するためのエネルギバンド構造図であ
る。

【符号の説明】

１ 基板 ３ 光吸収層 ４ ウィンド層 ６ ｐ型拡散層（受光部） ７ａ 保護膜（窒化シリコン膜）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 半導体基板上に形成された第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り表面
   が保護膜で覆われてなるウィンド層が形成されていると
   ともに、該ウィンド層の一部には第２の導電型の拡散領
   域が形成され、この拡散領域に対応して上記保護膜に光
   が透過可能な窓部が形成されかつ拡散領域の表面の一部
   には電極が接触されてなる受光素子において、上記ウィ
   ンド層となる半導体層を、上記光吸収層よりも禁制帯幅
   の大きくかつ光吸収層とヘテロ接合する半導体から、上
   記保護膜と接したときに界面準位密度が小となる半導体
   へと変化する組成変化層としたことを特徴とする受光素
   子。