JPH06291351A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】ド−パントの拡散深さがばらついても常に接合
の位置を一定にする。 【構成】基板１上には、ｎ型バッファ層２が形成され
る。ｎ型バッファ層２上には、バンドギャップＥ_g1を有
するｎ型光吸収層が形成される。この光吸収層上には、
Ｅ_g2＞Ｅ_g1なるバンドギャップＥ_g2を有するｎ型キャッ
プ層６が形成される。ｎ型光吸収層内にｐｎ接合を有す
るようにｐ⁺ 型領域７が形成される。前記光吸収層は、
ｎ^- 型層３，５と、このｎ^- 型層３，５の間に形成され
る当該ｎ^- 型層３，５よりもキャリア濃度の高いｎ⁺ 型
層４から構成される。ｐ⁺ 型領域７のｐｎ接合の位置
は、少なくともｎ^- 型層３とｎ⁺ 型層４の境界面に一致
する箇所を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光吸収層とキャップ層
とを有する半導体受光素子に関するもので、特に当該受
光素子の応答速度の高速化、高感度化を可能にする構造
を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信技術は、近年、急速に大容量化、
高速化が進められており、石英ファイバの損失が極小と
なる１．５５［μｍ］付近の波長帯で高い受光感度を有
し、高速動作の可能な受光素子が必要とされている。国
際電話電信諮問委員会（ＣＣＩＴＴ）により、広帯域Ｉ
ＳＤＮの国際統一フォ−マットとして２．５［Ｇｂ／
ｓ］までのハイアラ−キ−の勧告がなされている。

【０００３】さらに、大容量化をめざして、５〜１０
［Ｇｂ／ｓ］光通信システムの開発が急速に進んでい
る。アバランシェフォトダイオ−ドは、感度、雑音特性
の点で有利であるが、５［ＧＨｚ］を越える帯域を有す
る素子は、まだ安定して得られていない。

【０００４】一方、ＰＩＮフォトダイオ−ドの場合は、
素子構造を最適化することにより、１０［ＧＨｚ］以上
の広帯域を有する素子が得られるために、５［Ｇｂ／
ｓ］以上の大容量システムのキ−デバイスとなってい
る。

【０００５】図３は、従来のＰＩＮフォトダイオ−ドの
基本構造の一例を示す断面図である。このような高速Ｐ
ＩＮフォトダイオ−ドは、多くの場合、ｎ型ＩｎＰ基板
１上にｎ型ＩｎＰバッファ層 ２、ｎ^- 型ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層１１、ｎ^- 型ＩｎＰキャップ層６を有してい
る。これらの層は、エピタキシャル成長法によって形成
することができる。また、当該フォトダイオ−ドは、ｐ
⁺ 型ＩｎＰ領域 ７を有し、ＩｎＰ領域 ７は、ｐｎ接
合がＩｎＧａＡｓ光吸収層１１まで達している。このＩ
ｎＰ領域 ７は、ＩｎＰキャップ層６の表面上からｐ型
不純物を選択的に導入することにより形成することがで
きる。

【０００６】上記ＰＩＮフォトダイオ−ドにおいて、高
速応答性を向上させるためには、素子の電気容量を低下
させることと、さらに光吸収層の層厚を薄くして光励起
キャリアの走行時間を短縮することが肝要である。

【０００７】接合容量を低下させることにより、素子容
量Ｃと直列抵抗成分Ｒの積で表される、いわゆるＣＲ定
数が減少するため、素子の帯域を向上することができ
る。直列抵抗成分Ｒは、通常５０［Ω］であり、例えば
１０［ＧＨｚ］の帯域を得るためには、Ｃ≦０．３２
［ｐＦ］であることが必要とされる。

【０００８】ここで、素子容量Ｃの主成分は、ｐｎ接合
に起因する接合容量であり、逆方向バイアス電圧の印加
に伴う空乏層幅によって決まる。前述したようなフォト
ダイオ−ドの場合、バイアス電圧の低い条件では、通
常、空乏層幅はｐｎ接合部からｎ型^- 型光吸収層端まで
の距離に等しく、この空乏層幅が広いほど接合容量は低
くなる。

【０００９】ところが、当該ｐｎ接合の形成方法とし
て、従来、広く用いられている熱拡散法では、接合深さ
の制御性が必ずしも十分ではなく、目標とする接合深さ
よりも拡散が深く進んでしまい、接合容量が増加してし
まうという問題がある。また、ｐ⁺ 型ＩｎＰ領域は空乏
化し難く、光励起されたキャリアの再結合が生じ易くな
るために、拡散が深く入った場合には、フォトダイオ−
ドの感度が低下するという問題が生じる。

【００１０】図４は、図３のフォトダイオ−ドの受光部
について、横軸に表面からの距離、縦軸にｐ型或いはｎ
型のド−パントのキャリア濃度をプロットしたグラフで
ある。なお、図４において、ｐ型ド−パントのキャリア
濃度の曲線（ａ）又は（ｂ）とｎ型ド−パントのキャリ
ア濃度の線が交差する地点（ａ）´又は（ｂ）´がｐｎ
接合位置となる。

【００１１】図３のようなフォトダイオ−ドの場合、例
えば目標とする拡散深さよりも浅くｐ型のド−パントが
拡散されると、ｐ型ド−パントのキャリア濃度の曲線は
キャップ層側へ移動し、逆に、目標とする拡散深さより
も深くｐ型のド−パントが拡散されると、ｐ型ド−パン
トのキャリア濃度の曲線はバッファ層側へ移動すること
になる。

【００１２】つまり、ｐ型ド−パントの拡散深さの変動
によりｐｎ接合位置も変動することになる。このような
ｐｎ接合の深さの変動は、ｐ⁺ 型領域の幅や空乏層幅を
変動させることになるため好ましくない。

【００１３】一方、広帯域特性を得るためには、光吸収
層の層厚を比較的に薄くして、キャリアの走行時間を短
縮する必要がある。このような高速応答型フォトダイオ
−ドの場合には、光吸収層を薄く形成することに起因し
て入射光の吸収効率が低下する。このため、感度を維持
するためには、ｐｎ接合位置の最適幅が特に狭くなる。

【００１４】従って、このような高速応答型フォトダイ
オ−ドにおいては、従来の熱拡散法でｐｎ接合を形成す
ると、拡散深さのばらつきに応じて感度不足や接合容量
の増加などの不良が多発し、歩留りが大幅に低下すると
いう問題点がある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の半
導体受光素子は、ｐｎ接合の形成方法に広く熱拡散法が
用いられているが、かかる場合、接合深さの制御性が必
ずしも十分ではなく、目標とする接合深さよりも拡散が
浅く又は深く進んでしまう。このため、接合容量の増加
やフォトダイオ−ドの感度の低下などという問題が生じ
る。

【００１６】本発明は、上記欠点を解決すべくなされた
もので、その目的は、拡散深さがばらついても、常にｐ
ｎ接合の位置が一定となるような構造の半導体受光素子
を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体受光素子は、第１導電型の半導体基
板と、前記半導体基板上に形成されるバンドギャップＥ
_g1を有する第１導電型の光吸収層と、前記光吸収層上に
形成され、Ｅ_g2＞Ｅ_g1なるバンドギャップＥ_g2を有する
第１導電型のキャップ層と、少なくとも前記光吸収層内
にｐｎ接合を有するように形成される第２導電型の半導
体領域とを有する。そして、前記光吸収層の一部分にお
ける第１導電型のド−パントのキャリア濃度が、当該光
吸収層の他の一部分における第１導電型のド−パントの
キャリア濃度よりも高く設定されているものである。

【００１８】また、第１導電型のド−パントのキャリア
濃度が高く設定されている前記光吸収層の一部分は、前
記光吸収層の他の一部分に挟まれている。さらに、第１
導電型のド−パントのキャリア濃度が高く設定されてい
る前記光吸収層の一部分は、前記ｐｎ接合を形成しよう
とする箇所（目標とするｐｎ接合位置）から前記半導体
基板側へ一定の幅をもった部分である。

【００１９】なお、前記半導体領域のｐｎ接合の位置
は、少なくとも前記光吸収層の一部分と、当該光吸収層
のキャップ層側の他の一部分との境界面に一致する箇所
を含んでいる。

【００２０】

【作用】上記構成によれば、光吸収層は、第１導電型の
ド−パントのキャリア濃度が部分的に高い箇所を有して
いる。従って、半導体領域のｐｎ接合の位置は、少なく
とも前記光吸収層の一部分と当該光吸収層のキャップ層
側の他の一部分との境界面に一致する箇所を含むことに
なる。つまり、当該光吸収層の一部分を、ｐｎ接合が形
成されるべき箇所（目標とするｐｎ接合位置）から一定
の幅とすれば、第１導電型のド−パントが、目標とする
拡散深さよりも浅く又は深く拡散されても、常にｐｎ接
合が一定の位置、即ち前記境界面に形成されることにな
る。従って、ｐｎ接合位置のばらつきを少なくでき、電
気容量特性、感度特性や周波数特性などの優れた受光素
子を高い歩留りで得ることができる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明の一実施
例について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例
に係わる半導体受光素子を示している。また、図２は、
図１のフォトダイオ−ドの受光部について、横軸に表面
からの距離、縦軸にｐ型或いはｎ型のド−パントのキャ
リア濃度をプロットしたグラフを示している。なお、図
１において、図３の従来の半導体受光素子と同一の部分
には同じ符号を付してある。また、図２において、ｐ型
ド−パントのキャリア濃度の曲線（ａ）又は（ｂ）とｎ
型ド−パントのキャリア濃度の線が交差する地点がｐｎ
接合位置となる。

【００２２】この半導体受光素子は、従来の半導体受光
素子と比べると、光吸収層の構成が異なっている。即
ち、光吸収層におけるｎ型ド−パントのキャリア濃度
は、従来のように一定ではなく、当該光吸収層におい
て、ｐｎ接合が形成されるべき箇所（目標とするｐｎ接
合位置）から一定の幅でキャリア濃度の高い部分を設け
ている。

【００２３】従って、光吸収層は、ｎ^- 型ＩｎＧａＡｓ
光吸収層３、ｎ⁺ 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４及びｎ^- 型
ＩｎＧａＡｓ光吸収層５の三つの部分から構成されてい
る。例えば、ｎ^- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３は、キャリ
ア濃度約２×１０¹⁴［ｃｍ^-3］、層厚約１［μｍ］であ
り、ｎ⁺ 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４は、キャリア濃度約
２×１０¹⁶［ｃｍ^-3］、層厚約０．５［μｍ］であり、
ｎ^- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５は、キャリア濃度約２×
１０¹⁴［ｃｍ^-3］、層厚約０．５［μｍ］である。

【００２４】上記構成によれば、図２に示すように、例
えば目標とする拡散深さよりも浅くｐ型のド−パントが
拡散されても、又は目標とする拡散深さよりも深くｐ型
のド−パントが拡散されても、ｐ型ド−パントのキャリ
ア濃度の曲線（ａ）又は（ｂ）とｎ型ド−パントのキャ
リア濃度の線が交差する地点（ｐｎ接合位置）は、常
に、キャップ層の表面から一定の距離となる。つまり、
ｐ型ド−パントの拡散深さが変動しても、常にｐｎ接合
の位置が一定となるような構造の半導体受光素子を提供
することができる。

【００２５】次に、図１の半導体受光素子の製造方法に
ついて説明する。まず、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ⁺ 型
ＩｎＰ基板 １上に、キャリア濃度約１×１０¹⁵［ｃｍ
^-3］、層厚約２［μｍ］のｎ型ＩｎＰバッファ層 ２、
及び、層厚約２［μｍ］のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、
及び、キャリア濃度約１×１０¹⁵［ｃｍ^-3］、層厚約１
［μｍ］のｎ^- 型ＩｎＰキャップ層 ６をそれぞれ順次
形成する。

【００２６】なお、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、その
キャリア濃度に応じて、ｎ^- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
（キャリア濃度約２×１０¹⁴［ｃｍ^-3］、層厚約１［μ
ｍ］）３と、ｎ⁺ 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層（キャリア濃
度約２×１０¹⁶［ｃｍ^-3］、層厚約０．５［μｍ］）４
と、ｎ^- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層（キャリア濃度約２×
１０¹⁴［ｃｍ^-3］、層厚約０．５［μｍ］）５とに分け
られて形成される。

【００２７】次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、窒化シ
リコン膜を形成し、当該窒化シリコン膜をフォトリソグ
ラフィによりパタ−ニングして拡散マスクを形成する。
この後、基板 １を拡散炉内に設置し、ジメチル亜鉛ガ
スを原料として、５００［℃］、３０［分］程度の亜鉛
の選択拡散を行い、ｐ⁺ 型ＩｎＰ領域 ７を形成する。

【００２８】次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、受光部
に窒化シリコンの反射防止膜 ８を形成する。この後、
真空蒸着法を用いて、ｐ型ＩｎＰ領域 ７に接触するｐ
側電極９、及び、ｎ型ＩｎＰ基板 １に接触するｎ側電
極１０がそれぞれ形成される。

【００２９】上記製造方法により得られた半導体受光素
子について検査を行ったところ、以下の結果が得られ
た。即ち、ウェハをへき開して、その断面をステインエ
ッチングした後、顕微鏡観察を行った結果、キャップ層
と光吸収層の境界面から光吸収層側へ０．５［μｍ］の
位置に、再現性よくｐｎ接合が形成されていることが観
察できた。即ち、ｐｎ接合の位置は、光吸収層内におい
て常にｎ⁺ 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４とｎ^- 型ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層５の境界面に形成されており、光吸収層内
に設けたキャリア濃度分布によってｐｎ接合位置のばら
つきがなくなったことが確認された。

【００３０】また、上記製造方法により得られた受光径
３０［μｍφ］のＰＩＮフォトダイオ−ドの静特性を評
価した結果、バイアス電圧１０［Ｖ］、電気容量０．２
［ｐＦ］、波長１．３［μｍ］の入射光に対して、感度
０．８［Ａ／Ｗ］と良好な値が再現性よく得られた。ま
た、当該ＰＩＮフォトダイオ−ドの動特性を評価した結
果、−３［ｄＢ］遮断周波数は、１２［ＧＨｚ］以上と
良好であった。

【００３１】なお、本発明を実施するにあたっては、上
記実施例に示すような表面入射型プレ−ナフォトダイオ
−ドに限られるものではなく、表面入射型メサフォトダ
イオ−ド、裏面入射型プレ−ナフォトダイオ−ドや裏面
入射型メサフォトダイオ−ドなどにも適用でき、同様の
効果が得られることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の半導体
受光素子によれば、次のような効果を奏する。光吸収層
におけるｎ型ド−パントのキャリア濃度は、ｐｎ接合が
形成されるべき箇所（目標とするｐｎ接合位置）から一
定の幅で、部分的にキャリア濃度が高くなっている。こ
れにより、ｐ型のド−パントが、目標とする拡散深さよ
りも浅く又は深く拡散されても、常にｐｎ接合が一定の
位置に形成されるようになる。従って、ｐｎ接合位置の
ばらつきを少なくでき、電気容量特性、感度特性や周波
数特性などの優れた受光素子を高い歩留りで得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる受光素子を示す断面
図。

【図２】図１の受光素子の受光部におけるキャリア濃度
の深さ方向分布図。

【図３】従来の受光素子を示す断面図。

【図４】図３の受光素子の受光部におけるキャリア濃度
の深さ方向分布図。

【符号の説明】

１ …ｎ⁺ 型ＩｎＰ基板、 ２ …ｎ型ＩｎＰバッファ層、 ３ …ｎ^- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、 ４ …ｎ⁺ 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、 ５ …ｎ^- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、 ６ …ｎ^- 型ＩｎＰキャップ層、 ７ …ｐ⁺ 型ＩｎＰ領域、 ８ …反射防止膜、 ９ …ｐ側電極、 １０ …ｎ側電極、 １１ …ｎ^- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、 １２ …ｐ側電極。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型の半導体基板と、前記半導体
   基板上に形成されるバンドギャップＥ_g1を有する第１導
   電型の光吸収層と、前記光吸収層上に形成され、Ｅ_g2＞
   Ｅ_g1なるバンドギャップＥ_g2を有する第１導電型のキャ
   ップ層と、少なくとも前記光吸収層内にｐｎ接合を有す
   るように形成される第２導電型の半導体領域とを有し、
   前記光吸収層の一部分における第１導電型のド−パント
   のキャリア濃度が、当該光吸収層の他の一部分における
   第１導電型のド−パントのキャリア濃度よりも高く設定
   されていることを特徴とする半導体受光素子。
2. 【請求項２】 第１導電型のド−パントのキャリア濃度
   が高く設定されている前記光吸収層の一部分は、前記光
   吸収層の他の一部分に挟まれていることを特徴とする請
   求項１に記載の半導体受光素子。
3. 【請求項３】 第１導電型のド−パントのキャリア濃度
   が高く設定されている前記光吸収層の一部分は、前記ｐ
   ｎ接合を形成しようとする箇所（目標とするｐｎ接合位
   置）から前記半導体基板側へ一定の幅をもった部分であ
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光
   素子。
4. 【請求項４】 前記半導体領域のｐｎ接合の位置は、少
   なくとも前記光吸収層の一部分と、当該光吸収層のキャ
   ップ層側の他の一部分との境界面に一致する箇所を含ん
   でいることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体
   受光素子。