JPH07118548B2 - ▲ｉｉｉ▼−ｖ族多元化合物半導体ｐｉｎフオトダイオ−ド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は受光素子、特に光通信等において有用なIII−
Ｖ族多元化合物半導体PINフォトダイオードに関するも
のである。

従来の技術 現在のエレクトロニクスはデバイスの点から大別する
と、マイクロエレクトロニクスとオプトエレクトロニク
スに分類でき、前者はSiを中心として論理機能回路、記
憶回路等の分野で有力であり、高密度・高集積化かつ高
機能化されつつあり、一方後者は光通信、光情報処理、
画像その他の表示、計測・制御・加工の各システムにお
ける電子機器の分野において有力なものである。

このオプトエレクトロニクスデバイスとしては、例えば
レーザ・発光素子、受光素子・撮像素子などが挙げら
れ、これらは例えば光通信技術における要請に伴って今
後とも更に開発・改良が進められ、進展していくものと
思われる。この種のデバイスでは光半導体デバイスが中
心的役割を果しており、また特に受光素子では光が半導
体中で吸収されると電子・正孔対を形成したり、不純物
準位から電子または正孔のキャリヤを生成したりするこ
とによる光電変換現象を利用するものであり、光の照射
により発生するキャリヤを外部に電流として取出す種々
の構成が知られている。例えば、半導体の両端にオーミ
ック電極を設け、光の照射に伴う抵抗値の変化を外部電
流変化として取出すもの（光導電素子）、pn接合を設け
てキャリヤを振分けることにより外部回路に電圧または
電流を取出すもの（光起電力素子）、同一構造の素子に
逆方向のバイアス電圧を印加し光電流を検出する（フォ
トダイオード、アバランシェフォトダイオード）などが
知られている。

受光素子の中でも高い量子効率と小さな暗電流を示すPI
Nフォトダイオードは動作電圧が低く、極めて使用し易
いという特徴を有している。その結晶材料としては0.8
μｍ帯および0.7μｍ帯波長に対してはSiが、１μｍ帯
波長にはGe、III−Ｖ族多元化合物半導体（例えば、InG
aAsまたはInGaAsPが主として用いられる。） このPINフォトダイオードについては設計の仕方に応じ
て様々な受光径や応答速度のものを得ることができる。
また、このPINフォトダイオードは光電流の増倍作用を
もたないために比較的受信レベルの高い低中速・近中距
離領域の受信用およびPIN−FETとして中高速・中遠距離
領域の受信用、更にはレーザ・ダイオードの光出力モニ
タ用に主として利用される。また、光ファイバとの結合
については、受光径が大きいために発光素子に比較すれ
ば技術的な困難さは少なく、一般に素子の信頼性は高い
ものとされている。

上記のように、これら受光素子は可視〜赤外領域ではSi
デバイスが、また赤外線領域ではGeが大きな比率を占め
ているが、これらの材料を用いたデバイスでは満たすこ
とができない諸特性に対する要求があり、これら特性を
満たす可能性を有する化合物半導体デバイスへの期待が
大きくなりつつあり、広範な研究開発が行われ、既に実
用化されているものもある。化合物半導体は、半導体材
料の構成元素、組成またはこれらの変化に伴ってバンド
ギャップが異るために、バンドギャップの大きさをある
程度調整できる。従って、化合物半導体を用いることに
より種々の波長範囲に感度を有する素子を実現し得るた
めに、受光素子の分野では化合物半導体が重要視され、
様々な構成のものが提案されている。

III−Ｖ族多元結晶PINフォトダイオード、例えばInGaAs
をｉ層とするPINフォトダイオードでは波長1.65μｍ程
度まで高い受光感度を有しており、１μｍ帯波長光通信
の全波長域に亘り適用可能である。

従来提案されている受光素子（特にPINフォトダイオー
ド）、例えばInP/InGaAs受光素子の構造は、第３図に示
すようにｎ−InP基板30と、該基板の一方の面上に形成
されたｎ−InGaAs受光層31およびｎ−InP層32と、該InP
層32の中央部並びに受光層31の中央部の一部に形成され
たZn拡散層33と、InP層32の上部における、中央部に電
極および受光窓形成用開口を有するSiO₂絶縁層34および
ｐ側電極35とｎ側電極36とで構成され、ｐ側電極35とｎ
層との絶縁は上記のようにSiO₂等の絶縁膜34を介在させ
ることにより保証している。

ところで、この種の受光素子の動作上重要な特性とし
て、暗電流、スペクトル感度等が挙げられる。しかしな
がら、従来の受光素子は上記のように絶縁膜34のみを介
在させてｐ側電極35（特にそのワイヤーボンディングパ
ッド部）とｎ型層とが対向して配置されているので、こ
の部分での浮遊容量が大きいという欠点を有していた。
また、このような問題を回避するためには絶縁膜を厚く
とることが考えられるが、この場合には絶縁膜にクラッ
クがはいるなどの別の新たな問題が生じる。更に、0.8
μｍ以下の短波長帯の光はInP層32によって吸収されて
しまい、またｐ−ｎ接合までの距離があるために受光の
際に形成されたキャリヤが再結合してしまうので、短波
長光に対する感度が著しく低いという欠点をも有してい
る。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、光通信、光情報処理、レーザ等によ
る計測・制御システムなどの構成要素として、化合物半
導体製受光素子は重要である。そこで、各種構成の受光
素子が研究され提案されてきている。しかしながら、上
記のように、特にInP/InGaAs受光素子はその構造上の限
界から、大きな浮遊容量を有し、また短波長域の光に対
する感度が低いものであった。

最近、例えば光通信技術において１本の光ファイバ中を
波長の異なる光を伝送させる波長多重方式などが開発さ
れつつあることに照らして、これらの検出・受光用素子
として利用し得るものとするためには、該素子を広い波
長域に亘り高い感度を有するものとする必要があり、上
記のように、短波長域でのスペクトル感度が低いことは
このような動向に追随できないことを意味する。

そこで、短波長光に対する感度を高め、また浮遊容量を
減じることは、この種の素子の精度、信頼性を高めるた
めばかりでなく、今後の上記の如き光通信技術等におけ
る動向に十分対応し得るものとするために極めて大きな
意義がある。

従って、本発明の目的は浮遊容量の小さな、しかも短波
長光に対する高いスペクトル感度を有するIII−Ｖ族多
元化合物半導体のPINフォトダイオードを提供すること
にある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は、従来のInP/InGaAs受光素子等の上記のよ
うな現状に鑑みて、その呈する、特に大きな浮遊容量並
びに短波長光に対する低感度の問題を解決すべく種々検
討・研究した結果、受光層上に半絶縁層を設けることが
目的とする受光素子を実現する上で極めて有効であるこ
とを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明による受光素子は、基板と、受光層お
よび前記受光層のバンドギャップより大きいバンドギャ
ップを持つ半絶縁層をこの順序で該基板上に配設した構
成を有し、上記受光層の所定の領域上の上記半絶縁層の
少なくとも１部を除去することにより受光窓を設けたこ
とを特徴とするPINフォトダイオードである。

本発明のPINフォトダイオードにおいて、半絶縁層上に
は従来と同様に絶縁層を有し、これは従来と同様に、例
えばSiO₂、Si₂N₃、ポリイミドなどで形成される。ま
た、受光窓部のｐ層上にはｐ側電極が、絶縁層上にはワ
イヤーボンディングパッド部分が形成される。これらは
Al、Au、Ti、Sn、Ge、Ni、Cr等で得られる。

更に基板裏面にはｎ側電極が設けられる。これも上記ｎ
側電極あるいはワイヤーボンディングパッド部分と同様
な金属、合金材料で形成される。

本発明のPINフォトダイオードにおける基板、受光層お
よび半絶縁性層は夫々III−Ｖ族多元化合物半導体であ
り、例えば基板としてはｎ−InP、また受光層としては
各種組成のアンドープのInGaAs、InGaAsPなどが、更に
半絶縁層としては半絶縁性InP（例えばFe、Crなどをド
ープしたもの）などを例示できる。

本発明のPINフォトダイオードは、例えば以下のように
して作製することができる。まず、所定のｎ−型基板上
に受光層および半絶縁層をこの順序で形成するが、これ
は液相エピタキシャル法あるいは各種気相エピタキシャ
ル法、例えば熱分解気相エピタキシー、ハライド気相エ
ピタキシー、ハイドライドVPE、有機金属を用いた気相
エピタキシー（OMCVD）、分子線エピタキシー法などの
任意の方法で実現できる。尚、液相エピタキシーによる
場合には、例えばInGaAsがInP溶液中にメルトバックさ
れ易いなどの難点を有しているので、好ましくは気相エ
ピタキシー法を利用する。

この受光層と基板および受光層と半絶縁層とは組成、成
分が異り、ヘテロ接合となるが、化合物半導体の格子整
合性が良好であるために転位などが形成されることはな
い。また、バッファー層を介在させることにより十分な
整合性を確保する方法も知られており、何等問題とはな
らない。

次いで、かくして形成した受光素子の一部および半絶縁
層の所定の領域にｐ−型層を形成する。この操作は例え
ば熱拡散法、イオン注入法などにより、Zn、Cdなどを注
入することにより実現する。この注入領域において少な
くとも半絶縁層の一部分が除去されて受光窓とされる。
これは半絶縁層上に絶縁膜（通常の方法で形成できる）
を形成した後にフォトリソグラフィー技術および各種ウ
ェットエッチングまたはドライエッチング法を組合せる
ことにより絶縁層の形成と同時に行うことができる。ま
た、リフトオフ法などを利用すればまず窓部を電極形成
用スペースを含む大きさで形成し、次いで絶縁膜を形成
することも勿論可能である。

受光層あるいは半絶縁層上のｐ側電極および基板裏面上
のｎ側電極は真空蒸着法、各種CVD法、PVD法と、フォト
リソグラフィー、エッチング技術等とを適宜組合せるこ
とにより形成することができる。

本発明のPINフォトダイオードにおいては、更に受光窓
部に光の反射防止コーティング（ARコート）を施すこと
ができ、これによって入射光の吸収効率をより一層改善
することが可能となる。これは例えばSiO、SiO₂、SiN、
CeO₂、ZnS、ZrO₂、TiO₂、Ta₂O₅などの単層膜あるいは２
層以上の積層膜などを真空蒸着法、スパッタ法等の公知
の方法で形成することにより実現できる。

作用 以上述べたように、最近進歩の著しい光通信技術等にお
いて有用な受光素子、特にPINフォトダイオードにおい
て、従来問題となっていた点は、絶縁膜のみをはさんで
ｐ側電極（特にワイヤーボンディングパッド部）とｎ−
層とを対向させた構成としていたために、この部分での
浮遊容量が著しく高く、更に短波長に対する感度が低か
ったことである。そこで、特に短波長領域においては、
不純物濃度分布が良好に制御されたエピタキシャル層を
得ることができ、理論通りの特性を与え、しかも安定性
が良いことからSiPINフォトダイオードが主として利用
されてきた。これらの各欠点は、勿論前者にあっては絶
縁膜のみによってｎ層とｐ側電極とを隔てた構成上の固
有の理由によるものであり、後者は0.8μｍ以下の短波
長光が受光層とｐ側電極の間に設けられたイオン注入層
のために吸収されてしまい、形成されたキャリヤがpn接
合まで遠いために再結合してしまうためである。

そこで、本発明においては浮遊容量の問題はｐ側電極と
受光層との間に半絶縁層を設けたことにより解決した。
この浮遊容量の存在は素子の高速応答性の低下を招くた
め（RC時間による）出来るだけ小さくすることが望まれ
るファクターである。この容量は従来の構成において
も、絶縁層を厚く形成することによって排除できるよう
に考えられるが、実際には既に述べたようにクラックの
形成などといった問題があり、単に厚くするだけではこ
の問題を解決することは難しかった。この点、本発明に
おいては下層としての受光層と格子整合を図ることので
きる半絶縁性層を使用していることから、浮遊容量を十
分に小さくすべく十分な厚さで適用でき、従来法の欠点
を有利に解決できることになる。

一方、もう一つの問題である短波長域での感度の問題
は、適用した半絶縁層の少なくとも一部を除去している
ので、この層による光の減衰はまったくないか、あった
としてもpn接合までの距離は小さいので、生成したキャ
リヤの再結合が効率良く回避できるので、減衰の程度は
それ程高いものではなく、また逆に長波長域での感度を
高めることができる。このような効果を確保するために
は半絶縁層の厚さは少なくとも１μｍであり、一方受光
窓部の厚さは最大0.2μｍまでとすることが有利であ
る。

受光窓部分では、短波長域の光の吸収を10％以内におさ
えるために、InP層の厚さは0.2μｍ以内でなければなら
ない。一方、ボンディングパッド部分では、浮遊容量を
低減するために、厚くしなければならない。接合容量に
比べて、パッド部分の容量を小さくするためには、InP
層の厚みを空乏層厚よりも厚くする必要があり、少くと
も１μｍは必要である。

更に、上記のように受光窓部分の半絶縁層を少なくとも
部分的に除去しているので、この半絶縁層にバンドギャ
ップの大きな物質を用いることが可能となり、そのため
このような場合にも光の減衰を防止でき、短波長域での
感度を十分大きく保つことができる。

更に、本発明に従って受光層上に半絶縁層が設けられて
いるので、pn接合端は半絶縁層上にあり、従って上記の
ように半絶縁層材料としてバンドギャップの大きな物質
を用いることができ、この場合にはこの種の素子の性能
にとって重大な影響をもつ暗電流をも同時に低下させる
ことが可能となる。また、受光層上に半絶縁層を設けた
ことにより、この層に拡散、イオン注入またはエピタキ
シャル成長等の各種方法に従ってｐ、ｎ層を形成し、ト
ランジスターもしくはFETなどを形成することが可能と
なり、このことは受光素子と増幅系等とを集積化し、高
機能化する可能性をも与えるものである。

実施例 以下、実施例により本発明のPINフォトダイオードを更
に詳細に説明すると共に、その奏する利点を明確にする
が、本発明の範囲は以下の例により何等制限されるもの
ではない。

実施例１ 本発明のPINフォトダイオードの好ましい第１の実施例
を添付第１図に模式的に断面図で示した。図から明らか
な如く、本実施例は受光窓部の半絶縁層全体を除去した
構成のInP/InGaAsPINフォトダイオードであり、ｎ−InP
基板１と、その上の、所定の領域にある厚さまでZn注入
によるりｐ型化された受光層２（ｎ−InGaAs）と、同様
に所定の領域に亘りZnが注入され、受光窓部およびｐ側
電極部が除去されたｎ−InPの半絶縁層３と、所定の位
置でZn注入領域４とオーミック接続しているｐ側形成電
極5₁およびワイヤーボンディング用パッド部5₂（夫々A
u）と、半絶縁層３上にあるいはパッド部5₂と層３との
間に設けられたSiO₂の絶縁層６と、ｎ−InP基板裏面に
設けられたAu電極層７とで構成されている。また受光窓
部にはARコート８（SiN）が形成されている。

実施例２ 添付第２図には本発明の好ましいもう１つの実施例を第
１図と同様な模式的な断面図で示した。本例は図から明
らかな如く、ｎ−InP半絶縁層の受光窓部の一部のみを
除去したInP/InGaAsPINフォトダイオードである。従っ
て、説明を簡単化するために第１図ど同一の部分につい
て同一の番号を付してある。

第１図の実施例では受光窓部の半絶縁層３を完全に除去
しているので、この層による光の減衰はなく、従って短
波長域の光に対しても高い感度を与えるものとなる。一
方、第２図の例では受光窓部の半絶縁層３が一部残され
ているので、第１図のものと比較して短波長域での感度
は若干低くなるが、逆に受光層３表面での生成キャリヤ
の再結合を減じることができるので長波長側での感度を
高めることが可能となる。

製造例および測定例 第１図に示した構成のPINフォトダイオードを以下のよ
うに作製した。まず、キャリヤ濃度１〜５×10¹⁸cm^-3の
ｎ−InP基板１上に、ｎ−InGaAs受光層２（キャリヤ濃
度:5×10¹⁵cm^-3；厚さ:3〜４μｍ）およびInP半絶縁層
３（キャリヤ濃度＜１×10¹⁰cm^-3；厚さ:3μｍ）を夫々
LPE、クロライドCVD法に従って積層し、次いで半絶縁層
３上にCVD法でSiO₂絶縁層６を厚さ0.3μｍで形成した。
更に、レジストを用いてウェットエッチング法で受光窓
部およびｐ側電極形成部分を除去し、Znを熱拡散法で拡
散することによりｐ型層４を形成した。また、ｐ側電極
5₁、ワイヤーボンディング用パッド部およびｎ側電極は
Auを真空蒸着することにより形成し、またパターン化は
レジストを塗布し、リフトオフ法を利用することにより
行った。

かくして形成した第１図のような構成のPINフォトダイ
オードについて特性測定を行った。

空乏層での容量に比べて、ボンディングパッドでの浮遊
容量は1/20以下であり、ここでの容量は無視できること
がわかる。

更に、第２図に示すような構成のPINフォトダイオード
を上記と同様に作製した。但し、受光窓部分の半絶縁層
InP層は完全に除去せずに0.2μｍだけ残した。このよう
な構成としたことにより、InGaAs受光層の表面での生成
キャリヤの再結合をほぼ完全に防止できるので、受光感
度を上げることができると共に、短波長域でのInP層で
の吸収を10％以内に抑えることができることがわかっ
た。即ち、0.8μｍ帯での十分な受光感度を確保でき
た。この第２図のような構造とした場合にもSiO₂絶縁層
上の電極パッドでの浮遊容量は上記と同様に無視し得る
ものであることが確認された。

上記第１図および第２図のどちらの構造を採用してもpn
接合端はInP層上にあるので、漏れ電流（暗電流）を低
く抑えることができる。

発明の効果 以上詳しく述べたように、本発明によれば受光層とワイ
ヤーボンディングパッド部とを絶縁層および半絶縁層に
よって隔置したことにより、従来のPINフォトダイオー
ドについてみられた、大きな浮遊容量の問題が解決で
き、あわせて高い感度、信頼性を確保できた。また、短
波長の光に対しては、InP層で吸収されてしまい感度が
低下するが、受光窓部において、InP層を薄くし、この
層での吸収を低くおさえることによって、短波長域での
十分な感度を維持することが可能となった。

この半絶縁層は受光層と格子整合をとることのできる半
絶縁性半導体で形成できるので厚くしてもクラック等の
問題を生ずることはなく、また上記の構成とすることに
よりバンドギャップの大きい物質を採用することがで
き、またpn接合端が半絶縁層上にあるために暗電流をも
同時に低下することができる。

本発明のPINフォトダイオードにおけるように、受光層
上に半絶縁層を設けたことにより、該半絶縁層に拡散、
イオン注入あるいはエピタキシャル成長などによって
ｐ、ｎ層を形成することによりトランジスタ、FETなど
を形成でき、受光素子と増幅系等とを集積するなどの高
機能化を図ることもできる。

本発明のPINフォトダイオードにつき特にInP/InGaAs受
光素子を説明したが、この他にもInP/InGaAsPあるいはG
aAs系、GaSb系、InSb系、HgCdTe系などの２元、３元、
４元結晶を用いたPINフォトダイオードが知られてお
り、これらについても同様に本発明の思想を応用でき、
いずれも本発明の範囲内にはいるものと理解すべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

添付第１図および第２図は本発明のPINフォトダイオー
ドの、２つの異る好ましい実施例を模式的な断面図で示
したものであり、 第３図は従来のInP/InGaAsPINフォトダイオードの構成
並びにその欠点を説明するための第１図および第２図と
同様な図である。 （主な参照番号） 1,30…ｎ−InP基板、2,31…ｎ−InGaAs受光層、３…ｎ
−InP半絶縁層、4,33…Zn拡散（または注入）領域、
5₁，5₂,35…ｐ側電極、5₂…ワイヤーボンディングパッ
ド部、6,34…SiO₂絶縁層、7,36…ｎ側電極、８…ARコー
ト、32…ｎ−InP層

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、受光層および前記受光層のバンド
   ギャップより大きいバンドギャップを持つ半絶縁層をこ
   の順序で該基板上に配設した構成を有し、上記受光層の
   所定の領域上の上記半絶縁層の少なくとも１部を除去す
   ることにより受光窓を設けたことを特徴とするPINフォ
   トダイオード。
2. 【請求項２】上記半絶縁層の受光窓部を完全に除去した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のPINフォ
   トダイオード。
3. 【請求項３】上記半絶縁層の受光部の一部を除去し、残
   された部分の厚さが0.2μｍまでであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のPINフォトダイオード。
4. 【請求項４】上記半絶縁層の厚さが少なくとも１μｍで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項のいず
   れか１項記載のPINフォトダイオード。
5. 【請求項５】上記受光層が、その上に半絶縁層および絶
   縁層をこの順序で有し、電極のワイヤーボンディングパ
   ッド部分を該半絶縁層および絶縁層上に有することを特
   徴とする特許請求の範囲第４項記載のPINフォトダイオ
   ード。
6. 【請求項６】上記受光層がｎ−型またはｐ−型InGaAs層
   であり、上記半絶縁層がInP半絶縁性半導体層であり、
   上記絶縁層がSiO₂層であることを特徴とする特許請求の
   範囲第５項記載のPINフォトダイオード。
7. 【請求項７】上記受光層がｎ−型またはｐ−型InGaAs層
   であり、上記半絶縁層がInP半絶縁性半導体層であり、
   上記絶縁層がSi_xN_yまたはSiNO層であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項記載のPINフォトダイオード。