JPH10190041A - Photodiode - Google Patents

Photodiode

Info

Publication number
JPH10190041A
JPH10190041A JP8350729A JP35072996A JPH10190041A JP H10190041 A JPH10190041 A JP H10190041A JP 8350729 A JP8350729 A JP 8350729A JP 35072996 A JP35072996 A JP 35072996A JP H10190041 A JPH10190041 A JP H10190041A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type
guard ring
doped
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8350729A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaaki Sawara
正哲 佐原
Takashi Suzuki
高志 鈴木
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.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to JP8350729A priority Critical patent/JPH10190041A/en
Publication of JPH10190041A publication Critical patent/JPH10190041A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To attain high sensitivity and high withstand voltage by a method wherein a filed dope layer is provided between a guard ring layer and a channel stopper layer, and further a spacing portion is provided between the field doper layer and the guard ring layer. SOLUTION: An n type impurity is heavily doped in a light-receiving area in a surface layer of a p type epitaxial layer 2, and an n<+> type layer 3 is formed as a light-receiving layer. An n type impurity is doped at low concentration in a peripheral part of the light-receiving area in a surface layer of the p type epitaxial layer 2, and an n type guard ring layer 4 connecting with a marginal part of the n<+> type layer 3 is formed. Outside the n type guard ring layer 4 in a surface layer of the p type epitaxial layer 2, a p type field dope layer 5 in which a lightly doped p type impurity is formed at a spacing S relative to the n type guard ring layer 4. Further outside the p type field dope layer 5 in a surface layer of the p type epitaxial layer 2, a p<+> type channel stoper layer 6 in which a p type impurity is heavily doped than the p type field dope layer 5 is formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、受光素子として用
いられるホトダイオードに係り、特に詳細には、アノー
ドとなるp型領域とカソードとなるn型領域の間に、低
濃度のp型、n型または、i型の光キャリア生成領域を
介在させたPIN構造のホトダイオードに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photodiode used as a light receiving element, and more particularly, to a photodiode having a low concentration between a p-type region serving as an anode and an n-type region serving as a cathode. Alternatively, the present invention relates to a photodiode having a PIN structure in which an i-type photocarrier generation region is interposed.

【0002】[0002]

【従来の技術】アバランシェホトダイオード(以下「A
PD」とする)は、入射光により生成された電子・正孔
対を、アバランシェ効果によって増倍できるため、高感
度の受光素子として注目されている。そして、PIN構
造のAPD(PIN−APD)では光キャリア生成領域
が厚いために入射光を効率よく吸収できるので、更に高
感度が実現できる。
2. Description of the Related Art Avalanche photodiodes (hereinafter "A")
PD ”) has attracted attention as a high-sensitivity light-receiving element because electron-hole pairs generated by incident light can be multiplied by the avalanche effect. An APD having a PIN structure (PIN-APD) can efficiently absorb incident light because the photocarrier generation region is thick, so that higher sensitivity can be realized.

【0003】図2は、従来のPIN−APDの断面図で
ある。図示の通り、p+型基板1にはp-型エピタキシャ
ル層2が成長され、この表層の受光領域にn+型層3が
形成されることにより、p+型基板1をP領域(アノー
ド領域)、p-型エピタキシャル層2をI領域(光キャ
リア生成領域)、n+型層3をN領域(カソード領域)
とするPIN構造が形成されている。
FIG. 2 is a sectional view of a conventional PIN-APD. As shown in the figure, ap -type epitaxial layer 2 is grown on a p + -type substrate 1, and an n + -type layer 3 is formed in a light-receiving region on the surface of the p + -type substrate 1. ), The p type epitaxial layer 2 is an I region (photocarrier generation region), and the n + type layer 3 is an N region (cathode region).
Is formed.

【0004】なお、n+型層3の周囲には、n型ガード
リング層4が接続して形成されることにより、電界がP
N接合の周辺で大きくなることを防ぎ、これを囲むよう
にp+型チャネルストッパ層6が離隔して形成されるこ
とにより、同一基板上に形成された図示しない他の素子
(他のAPDや信号増幅用のトランジスタ)と、APD
を分離することができる。
An n-type guard ring layer 4 is formed around the n + -type layer 3 so as to connect the electric field to the P-type layer.
Since the p + -type channel stopper layer 6 is formed so as to surround the N-junction so as to surround the N-junction, another element (not shown) formed on the same substrate (other APD or Transistor for signal amplification) and APD
Can be separated.

【0005】この構造によれば、表面のSiO2膜7に
形成した開口を介して、n+型層3とカソード電極8を
接続することができるだけでなく、同様にSiO2膜7
に形成した開口を介して、p+型チャネルストッパ層6
とアノード電極9を接続することができる。このため、
+型基板1に直接に(例えばp+型基板1の裏面に)ア
ノード電極を設けることなく、素子の表面上の配線のみ
でp+型基板1とn+型層3に挾まれたp-型エピタキシ
ャル層2に空乏層を形成し、光キャリア生成領域として
機能させることが可能となる。
According to this structure, not only can the n + -type layer 3 and the cathode electrode 8 be connected through the opening formed in the SiO 2 film 7 on the surface, but also the SiO 2 film 7
Through the opening formed in the p + -type channel stopper layer 6
And the anode electrode 9 can be connected. For this reason,
p + -type substrate directly to 1 (for example the rear surface of the p + -type substrate 1) without providing the anode electrode, p sandwiched by only the wiring on the surface of the element to the p + -type substrate 1 and the n + -type layer 3 A depletion layer is formed in the negative type epitaxial layer 2 and can function as a photocarrier generation region.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このプ
レーナー構造の従来技術では、APDを高感度にしよう
とすると、n型ガードリング層4とp+型チャネルスト
ッパ層6との間のPN接合耐圧が低下し、アバランシェ
増倍のための十分なバイアス電圧を印加することが難し
く、高感度化を実現することが容易でなかった。
However, in the prior art of the planar structure, if the APD is to be made highly sensitive, the PN junction breakdown voltage between the n-type guard ring layer 4 and the p + -type channel stopper layer 6 is reduced. Therefore, it is difficult to apply a sufficient bias voltage for avalanche multiplication, and it is not easy to realize high sensitivity.

【0007】すなわち、高感度化のためには光キャリア
生成領域における入射光の吸収を多くすれば良く、この
ためには、光キャリア生成領域を大きくする、つまりp
-型エピタキシャル層2を厚くすれば良いが、このため
には、p-型エピタキシャル層2の不純物濃度を十分に
低くしなければならない。なぜなら、p-型エピタキシ
ャル層2をn+型層3との界面からp+型基板1に至るま
で空乏化するための逆バイアスは、p-型エピタキシャ
ル層2の不純物濃度に比例するからである。
That is, in order to increase the sensitivity, it is only necessary to increase the absorption of incident light in the photocarrier generation region. For this purpose, the photocarrier generation region is increased, that is, p
The thickness of the p - type epitaxial layer 2 may be increased. For this purpose, the impurity concentration of the p - type epitaxial layer 2 must be sufficiently reduced. This is because the reverse bias for depleting the p type epitaxial layer 2 from the interface with the n + type layer 3 to the p + type substrate 1 is proportional to the impurity concentration of the p type epitaxial layer 2. .

【0008】そこで、p-型エピタキシャル層2を十分
に低濃度にすると、n型ガードリング層4とp+型チャ
ネルストッパ層6の間のp-型エピタキシャル層2の表
層部は、極性が容易にn型に反転する。この極性反転
は、半導体の表面準位やSiO2膜7上の配線10から
の電界により生じるが、特にAPDではカソード電極8
とアノード電極9の間に高電圧が印加されるため、配線
10からの電界の影響はより大きく、容易に極性反転し
てしまう。
Therefore, if the concentration of the p -type epitaxial layer 2 is made sufficiently low, the surface layer of the p -type epitaxial layer 2 between the n-type guard ring layer 4 and the p + -type channel stopper layer 6 has an easy polarity. To n-type. This polarity inversion is caused by the surface level of the semiconductor or the electric field from the wiring 10 on the SiO 2 film 7.
Since a high voltage is applied between the anode and the anode electrode 9, the influence of the electric field from the wiring 10 is greater and the polarity is easily inverted.

【0009】極性反転が生じると、p-型エピタキシャ
ル層2の表層のn型反転部11とp+型チャネルストッ
パ層6の間にPN接合が現れるが、p+型チャネルスト
ッパ層6は高濃度であるため電界が集中し、ここで耐圧
が低下する。このため、アバランシェ増倍のための十分
な逆バイアス電圧が印加できない。
When the polarity inversion occurs, a PN junction appears between the n-type inversion portion 11 on the surface of the p -- type epitaxial layer 2 and the p + -type channel stopper layer 6, but the p + -type channel stopper layer 6 has a high concentration. Therefore, the electric field is concentrated, and the breakdown voltage is reduced here. Therefore, a sufficient reverse bias voltage for avalanche multiplication cannot be applied.

【0010】結局、図2に示すタイプのAPD、すなわ
ち低濃度のp型、n型またはi型層を光キャリア生成領
域とするPIN−APDのようなPIN構造を有するホ
トダイオードにおいては、高感度化と高耐圧化を同時に
実現することは、互いにトレードオフの関係にあった。
[0010] Eventually, in an APD of the type shown in FIG. 2, that is, a photodiode having a PIN structure such as a PIN-APD having a low-concentration p-type, n-type or i-type layer as a photocarrier generation region, high sensitivity is obtained. And achieving a high breakdown voltage at the same time have a trade-off relationship with each other.

【0011】そこで本発明は、高感度化と高耐圧化とを
同時に達成可能としたホトダイオードを提供することを
目的とする。
An object of the present invention is to provide a photodiode capable of simultaneously achieving high sensitivity and high withstand voltage.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明に係るホトダイオ
ードは、第一導電型不純物が高濃度にドープされた半導
体基板と、この半導体基板上に形成され、第一導電型不
純物が低濃度にドープされたエピタキシャル層と、この
エピタキシャル層の表層の受光領域に形成され、第二導
電型不純物が高濃度にドープされた第二導電型の受光層
と、この受光層の周囲のエピタキシャル層に、受光層よ
りも深くかつ内周が受光層と接続するように形成され、
第二導電型の不純物が低濃度にドープされた第二導電型
のガードリング層と、このガードリング層の周囲のエピ
タキシャル層にガードリング層と離隔して形成され第一
導電型不純物が高濃度にドープされたチャネルストッパ
層と、ガードリング層の周囲のエピタキシャル層にガー
ドリング層と一定の間隔をあけると共に外周がチャネル
ストッパ層と接続するように形成され、第一導電型の不
純物がチャネルストッパ層よりも低濃度かつエピタキシ
ャル層よりも高濃度にドープされたフィールドドープ層
とを備え、受光層と半導体基板に挟まれたエピタキシャ
ル層を光キャリア発生領域としたことを特徴とする。
A photodiode according to the present invention comprises a semiconductor substrate doped with a first conductivity type impurity at a high concentration and a semiconductor substrate formed on the semiconductor substrate and doped with a first conductivity type impurity at a low concentration. The epitaxial layer thus formed, a light-receiving layer of the second conductivity type formed in the light-receiving region on the surface of the epitaxial layer and doped with the impurity of the second conductivity type at a high concentration, and an epitaxial layer around the light-receiving layer, Formed deeper than the layer and the inner circumference is connected to the light receiving layer,
A second conductivity type guard ring layer doped with a second conductivity type impurity at a low concentration; and an epitaxial layer surrounding the guard ring layer formed at a distance from the guard ring layer so that the first conductivity type impurity has a high concentration. A channel stopper layer doped with an impurity is formed in the epitaxial layer around the guard ring layer so as to be spaced apart from the guard ring layer and to have an outer periphery connected to the channel stopper layer. A field doped layer doped at a lower concentration than the layer and at a higher concentration than the epitaxial layer, wherein the epitaxial layer sandwiched between the light receiving layer and the semiconductor substrate is a photocarrier generation region.

【0013】本発明によれば、低ドープで第二導電型の
ガードリング層と低ドープで第一導電型のフィールドド
ープ層の間の間隔部分に、このフィールドドープ層より
低ドープで第一導電型のエピタキシャル層を介在させた
ので、この間隔部分のエピタキシャル層が極性反転する
か否かにかかわりなく、この部分のpn接合耐圧が低下
することがない。
According to the present invention, the space between the lightly doped guard ring layer of the second conductivity type and the lightly doped field dope layer of the first conductivity type is provided in the space between the guard ring layer and the first conductivity type. Since the type epitaxial layer is interposed, the pn junction breakdown voltage in this portion does not decrease regardless of whether or not the polarity of the epitaxial layer in this interval portion is inverted.

【0014】すなわち、極性反転しないときは、低ドー
プのガードリング層と十分に低ドープの上記間隔部分と
の間でpn接合が形成され、極性反転するときには、低
ドープのフィールドドープ層と反転層との間でpn接合
が形成されるので、いずれの場合にも接合部での電界集
中が緩和され、ホトダイオードの高耐圧化が保たれる。
That is, when the polarity is not inverted, a pn junction is formed between the low-doped guard ring layer and the sufficiently lightly-doped space, and when the polarity is inverted, the lightly-doped field-doped layer and the inverted layer are formed. Since a pn junction is formed between them, the electric field concentration at the junction is reduced in any case, and the high breakdown voltage of the photodiode is maintained.

【0015】このため、APDの動作電圧を高く設定で
き、それゆえ表面準位や表面上の配線により極性反転が
容易に発生してしまう程度まで、十分にエピタキシャル
層を低ドープにでき、第一導電型の半導体基板と第二導
電型の受光層に挟まれた領域の第一導電型エピタキシャ
ル層を十分に空乏化することができる。従って、光キャ
リア生成領域を大きくして入射光の吸収効率が高くな
る。また、上記のようにエピタキシャル層を十分に低ド
ープできるので、第一導電型のエピタキシャル層と接す
る第二導電型の受光層の界面近傍に高電界が集中し、こ
のためAPDとして用いた場合にアバランシェ増倍効果
が高まる。
Therefore, the operating voltage of the APD can be set high, and the epitaxial layer can be sufficiently lightly doped to such an extent that the polarity inversion is easily caused by the surface state or the wiring on the surface. The first conductivity type epitaxial layer in the region between the conductivity type semiconductor substrate and the second conductivity type light receiving layer can be sufficiently depleted. Therefore, the photocarrier generation area is enlarged, and the absorption efficiency of incident light is increased. In addition, since the epitaxial layer can be sufficiently low-doped as described above, a high electric field concentrates near the interface of the light-receiving layer of the second conductivity type in contact with the epitaxial layer of the first conductivity type. Avalanche multiplication effect increases.

【0016】従って、本発明によれば、PIN構造を有
するホトダイオード(例えばPINN−APD)の高耐
圧化と高感度化が同時に達成される。
Therefore, according to the present invention, a photodiode having a PIN structure (for example, PINN-APD) can simultaneously achieve high withstand voltage and high sensitivity.

【0017】本発明に係るAPDは、上記第一導電型が
p型であり、上記第二導電型はn型であり、上記受光層
に接続されたカソード電極と、上記チャネルストッパ層
に接続されたアノード電極とをさらに備えることとして
もよい。
In the APD according to the present invention, the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the APD is connected to the cathode electrode connected to the light receiving layer and the channel stopper layer. And an anode electrode.

【0018】このようにすれば、光キャリア生成領域で
生成された電子・正孔対のうち、電子がn型受光層とp
型エピタキシャル層の界面方向に誘導されるので、AP
Dとして用いた場合には、電子が高電界によるアバラン
シェ増倍されることとなり、高い検出感度が実現され
る。
With this configuration, of the electron-hole pairs generated in the photocarrier generation region, electrons are transferred between the n-type light-receiving layer and the p-type light-receiving layer.
Induced in the interface direction of the epitaxial layer, the AP
When used as D, electrons are avalanche multiplied by a high electric field, and high detection sensitivity is realized.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、実施形態に係るPIN−A
PDを詳細に説明する。なお、図において同一要素には
同一符号を付す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a PIN-A according to an embodiment will be described.
The PD will be described in detail. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals.

【0020】図1の通り、ボロン等のp型不純物が高濃
度にドープされたSi単結晶からなるp+型基板1上に
は、同じくp型不純物を十分に低濃度にドープしたSi
単結晶からなるp-型エピタキシャル層2が形成されて
いる。ここで、p+型基板1は比抵抗が0.01〜0.
02Ω・cm程度であり、p-型エピタキシャル層2は
不純物濃度が5×1014〜 5×1015cm-3程度(比
抵抗が3〜20Ω・cm)、厚さは3〜30μm程度で
ある。
As shown in FIG. 1, a p + -type substrate 1 made of Si single crystal doped with a p-type impurity such as boron at a high concentration is provided on a p + -type impurity similarly doped with a p-type impurity at a sufficiently low concentration.
A p type epitaxial layer 2 made of a single crystal is formed. Here, the p + type substrate 1 has a specific resistance of 0.01 to 0.1.
The p -type epitaxial layer 2 has an impurity concentration of about 5 × 10 14 to 5 × 10 15 cm −3 (resistivity of 3 to 20 Ω · cm) and a thickness of about 3 to 30 μm. .

【0021】p-型エピタキシャル層2の表層の受光領
域には、砒素等のn型不純物が高濃度にドープされ、受
光層としてのn+型層3が例えば拡散法により形成され
ている。n+型層3の不純物濃度は3×1018〜 3×1
21cm-3程度であり、深さは0.2〜1.0μm程度
である。
An n-type impurity such as arsenic is heavily doped in the light-receiving region on the surface of the p -- type epitaxial layer 2, and an n + -type layer 3 as a light-receiving layer is formed by, for example, a diffusion method. The impurity concentration of the n + type layer 3 is 3 × 10 18 to 3 × 1
It is about 0 21 cm −3 and the depth is about 0.2 to 1.0 μm.

【0022】p-型エピタキシャル層2の表層の受光領
域の周辺部には、n型不純物が低濃度にドープされ、n
+型層3の周縁部と接続するn型ガードリング層4が形
成されている。n型ガードリング層4の不純物濃度は表
面で5×1015〜 5×101 8cm-3程度であり、深さ
は1.0〜5.0 μm程度である。このように、深く
形成することでn型ガードリング層4の断面の曲率半径
を大きくでき、しかもp-型エピタキシャル層2とのp
n接合を階段接合ではなく傾斜接合とできるので、n型
ガードリング層4の外側部分における耐圧を向上させる
ことが可能になる。
The periphery of the light receiving region on the surface of the p -type epitaxial layer 2 is doped with an n-type impurity at a low concentration.
An n-type guard ring layer 4 connected to the periphery of the + -type layer 3 is formed. The impurity concentration of the n-type guard ring layer 4 is 5 × 10 15 ~ 5 × 10 1 about 8 cm -3 at the surface, the depth is about 1.0 to 5.0 [mu] m. As described above, by forming the n-type guard ring layer 4 deep, the radius of curvature of the cross section of the n-type guard ring layer 4 can be increased, and the p - type epitaxial layer 2 and p - type
Since the n-junction can be a graded junction instead of a step junction, the breakdown voltage in the outer portion of the n-type guard ring layer 4 can be improved.

【0023】p-型エピタキシャル層2の表層のn型ガ
ードリング層4の外側には、n型ガードリング層4と1
μm程度以上の間隔をあけて、ボロン等のp型不純物が
低濃度にドープされたp型フィールドドープ層5が形成
されている。p型フィールドドープ層5の不純物濃度は
表面で3×1015〜1×1017cm-3程度であり、深さ
は0.5〜2.0μm程度である。このp-型エピタキ
シャル層2より高濃度のp型フィールドドープ層5を設
けたこと、特にn型ガードリング層4との間に一定の間
隔部分Sをあけてp型フィールドドープ層5を設けた点
に本実施形態の特徴があり、これより、p-型エピタキ
シャル層2を十分に低ドープとしながら、耐圧を向上さ
せることが可能となる。
Outside the n-type guard ring layer 4 on the surface of the p -type epitaxial layer 2, the n-type guard ring layers 4 and 1
A p-type field doped layer 5 doped with a p-type impurity such as boron at a low concentration is formed at intervals of about μm or more. The impurity concentration of the p-type field doped layer 5 is about 3 × 10 15 to 1 × 10 17 cm −3 on the surface, and the depth is about 0.5 to 2.0 μm. The p-type field doped layer 5 having a higher concentration than the p -type epitaxial layer 2 was provided. In particular, the p-type field doped layer 5 was provided with a predetermined interval S between the p - type epitaxial layer 2 and the n-type guard ring layer 4. The present embodiment is characterized in that the p -type epitaxial layer 2 is sufficiently low-doped and the withstand voltage can be improved.

【0024】p-型エピタキシャル層2の表層のp型フ
ィールドドープ層5のさらに外側には、ボロン等のp型
不純物がp型フィールドドープ層5よりも高濃度にドー
プされたp+型チャネルストッパ層6が形成されてい
る。p+型チャネルストッパ層6の不純物濃度は3×1
15〜3×1020cm-3程度であり、深さは0.2〜
1.0μm程度である。APDをトランジスタ等と集積
化してICチップを作製するときは、上記の濃度及び深
さが好ましいが、異なっていても動作上の問題はない。
A p + -type channel stopper doped with a p-type impurity such as boron at a higher concentration than the p-type field dope layer 5 is further outside the p-type field dope layer 5 on the surface of the p -type epitaxial layer 2. Layer 6 is formed. The impurity concentration of the p + type channel stopper layer 6 is 3 × 1
0 15 to 3 × 10 20 cm -3 and a depth of 0.2 to
It is about 1.0 μm. When an APD is integrated with a transistor or the like to manufacture an IC chip, the above-described concentration and depth are preferable.

【0025】上記のように各領域が形成されたp-型エ
ピタキシャル層2の上面には、SiO2膜7が積層され
ており、n+型層3の上面では入射光に対する反射防止
膜として機能する。n+型層3の周縁部上のSiO2膜7
には、コンタクトホールが形成され、ここにカソード電
極8がオーミック接続されている。また、p+型チャネ
ルストッパ層6の上のSiO2膜7にもコンタクトホー
ルが形成され、ここにアノード電極9がオーミック接続
されている。そして、これら電極8、9は、SiO2
7上の配線10により、同一基板上のトランジスタ等の
他の回路素子(図示せず)と接続されている。
An SiO 2 film 7 is laminated on the upper surface of the p -type epitaxial layer 2 in which the respective regions are formed as described above, and functions as an antireflection film for incident light on the upper surface of the n + -type layer 3. I do. SiO 2 film 7 on the periphery of n + type layer 3
, A contact hole is formed, and the cathode electrode 8 is ohmic-connected to the contact hole. Further, a contact hole is also formed in the SiO 2 film 7 on the p + type channel stopper layer 6, and the anode electrode 9 is ohmically connected thereto. The electrodes 8 and 9 are connected to another circuit element (not shown) such as a transistor on the same substrate by a wiring 10 on the SiO 2 film 7.

【0026】さらに、SiO2膜7および配線10の上
にはPSG等の保護膜(図示せず)が形成され、n+
層3の上方(受光領域)を除く領域にはアルミニウム等
からなる遮光膜(図示せず)が形成され、入射光は受光
領域にのみ選択的に入射する。
Further, a protective film (not shown) such as PSG is formed on the SiO 2 film 7 and the wiring 10, and a region other than the n + type layer 3 (light receiving region) is made of aluminum or the like. A light-shielding film (not shown) is formed, and the incident light selectively enters only the light receiving region.

【0027】次に、図1に示すPIN−APDの動作を
説明する。
Next, the operation of the PIN-APD shown in FIG. 1 will be described.

【0028】まず、カソード電極8とアノード電極9に
逆バイアス電圧が印加されると、n+型層3とn型ガー
ドリング層4は正の同電位になり、p+型チャネルスト
ッパ層6とp型フィールドドープ層5は負の同電位にな
り、かつp+型基板1はp-型エピタキシャル層2を介し
てp+型チャネルストッパ層6と同電位になる。
First, when a reverse bias voltage is applied to the cathode electrode 8 and the anode electrode 9, the n + -type layer 3 and the n-type guard ring layer 4 have the same positive potential, and the p + -type channel stopper layer 6 The p-type field doped layer 5 has the same negative potential and the p + -type substrate 1 has the same potential as the p + -type channel stopper layer 6 via the p -- type epitaxial layer 2.

【0029】このためp+型基板1とn+型層3に挟ま
れ、かつn型ガードリング層4に囲まれたp-型エピタ
キシャル層2は空乏化し、光キャリア生成領域が形成さ
れる。同時に、n型ガードリング層4とp型フィールド
ドープ層5の間のp-型エピタキシャル層2も空乏化す
るが、前述の遮光膜により入射光は届かないので、光キ
ャリア生成領域として機能することはない。
Therefore, the p -type epitaxial layer 2 sandwiched between the p + -type substrate 1 and the n + -type layer 3 and surrounded by the n-type guard ring layer 4 is depleted, and a photocarrier generation region is formed. At the same time, the p -type epitaxial layer 2 between the n-type guard ring layer 4 and the p-type field dope layer 5 is also depleted. However, since the incident light does not reach the light-shielding film, it functions as a photocarrier generation region. There is no.

【0030】SiO2膜7を介してn+型層3からp-
エピタキシャル層2に光が入射すると、電子・正孔対が
発生し、空乏層の電界によって電子はn+型層3方向
へ、正孔はp+型基板1方向へドリフトする。そして、
電子がp-型エピタキシャル層2に接するn+型層3の界
面端部に到達すると、高電界によってアバランシェ増倍
を起こし、増倍電子は信号電流としてカソード電極8,
10から出力される。
When light enters the p -type epitaxial layer 2 from the n + -type layer 3 through the SiO 2 film 7, electron-hole pairs are generated, and electrons are transferred to the n + -type layer 3 by the electric field of the depletion layer. , The holes drift toward the p + type substrate 1. And
When the electrons reach the interface end of the n + -type layer 3 in contact with the p -type epitaxial layer 2, avalanche multiplication is caused by a high electric field, and the multiplied electrons are converted into signal currents by the cathode electrode 8,
It is output from 10.

【0031】ここで、p-型エピタキシャル層2が十分
に低ドープであれば、光入射で生成された電子がドリフ
ト中に不純物準位にトラップされる確率が低くなり、検
出感度が向上する。また、p-型エピタキシャル層2が
十分に低ドープであれば、印加された逆バイアス電圧に
よる内部電界は、より多くn+型層3のp-型エピタキシ
ャル層2との界面端部に集中するので、アバランシェ増
倍の効果をさらに高めることができる。本実施形態で
は、p-型エピタキシャル層2の不純物濃度を5×10
14〜 5×1015cm-3程度まで十分に低くしているの
で、上記の検出感度の向上とアバランシェ増倍効率の向
上を、同時かつ十分に達成している。
Here, if the p type epitaxial layer 2 is sufficiently lightly doped, the probability that electrons generated by light incidence are trapped in impurity levels during drift is reduced, and the detection sensitivity is improved. If the p -type epitaxial layer 2 is sufficiently lightly doped, the internal electric field due to the applied reverse bias voltage is more concentrated at the interface end of the n + -type layer 3 with the p -type epitaxial layer 2. Therefore, the effect of avalanche multiplication can be further enhanced. In the present embodiment, the impurity concentration of the p -type epitaxial layer 2 is set to 5 × 10
Since it is sufficiently low to about 14 to 5 × 10 15 cm −3, the improvement of the detection sensitivity and the improvement of the avalanche multiplication efficiency are simultaneously and sufficiently achieved.

【0032】一方、逆バイアス電圧による空乏層は、n
型ガードリング層4とp型フィールドドープ層5の間の
表層部分にも生成されるが、p-型エピタキシャル層2
の表層である間隔部分Sが極性反転しない場合には、n
型ガードリング層4と間隔部分Sの界面を中心にして、
極性反転した場合には、p型フィールドドープ層5と間
隔部分Sの界面を中心として、キャリア濃度に応じて両
側に空乏層が広がる。また、間隔部分Sがp-型から中
性(i型)に変わる場合は、n型ガードリング層4と間
隔部分S及びp型フィールドドープ層5と間隔部分Sの
両界面を中心として、キャリア濃度に応じて両側に空乏
層が広がる。
On the other hand, the depletion layer caused by the reverse bias voltage is n
The p - type epitaxial layer 2 is also generated in the surface layer portion between the p-type guard ring layer 4 and the p-type field dope layer 5.
If the polarity of the interval portion S which is the surface layer of
Centering on the interface between the mold guard ring layer 4 and the space S,
When the polarity is reversed, the depletion layer spreads on both sides around the interface between the p-type field dope layer 5 and the interval S according to the carrier concentration. When the spacing S changes from p type to neutral (i-type), the carrier is centered on both interfaces of the n-type guard ring layer 4 and the spacing S and the p-type field doped layer 5 and the spacing S. A depletion layer spreads on both sides according to the concentration.

【0033】いずれにせよ、逆バイアス電圧による内部
電界は、十分に低ドープのp-型エピタキシャル層2か
らなる間隔部分Sを中心として、その両側の低ドープの
n型ガードリング層4またはp型フィールドドープ層5
でのみ発生し、高ドープのn+型層3とp+型チャネルス
トッパ層6に空乏層が到達する事はない。このため、極
性反転の有無にかかわらず電界集中が緩和できるので、
PIN−APDの高耐圧化が可能となる。
In any case, the internal electric field due to the reverse bias voltage is centered on the interval S composed of the sufficiently lightly doped p -type epitaxial layer 2 and the lightly doped n-type guard ring layer 4 or the p-type Field dope layer 5
And the depletion layer does not reach the highly doped n + -type layer 3 and p + -type channel stopper layer 6. For this reason, the electric field concentration can be reduced regardless of the presence or absence of the polarity inversion.
It is possible to increase the withstand voltage of the PIN-APD.

【0034】なお、図1に示すPIN−APDは、次の
様なプロセスで作製される。まず、p+型基板上1にp-
型エピタキシャル層2が成長される。次に、熱拡散、イ
オン注入あるいは薄いSiO2膜7を表面に形成した状
態でのイオン注入(スルー注入)により、レジストマス
クを介してn型ガードリング層4、p型フィールドドー
プ層5、n+型層3、p+型チャネルストッパ6の順に形
成される。そして、SiO2膜7にコンタクトホールが
形成され、カソード電極8及びアノード電極9が形成さ
れる。
The PIN-APD shown in FIG. 1 is manufactured by the following process. First, p to p + -type substrate 1 -
A type epitaxial layer 2 is grown. Next, the n-type guard ring layer 4, p-type field doped layer 5, n-type through a resist mask by thermal diffusion, ion implantation, or ion implantation (through implantation) with the thin SiO 2 film 7 formed on the surface. The + type layer 3 and the p + type channel stopper 6 are formed in this order. Then, a contact hole is formed in the SiO 2 film 7, and a cathode electrode 8 and an anode electrode 9 are formed.

【0035】本発明は、上記実施形態に限定されること
なく種々の変形が可能である。
The present invention can be variously modified without being limited to the above embodiment.

【0036】例えば、半導体基板1をn+型とし、受光
層3やフィールドドープ層5等のすべての要素の導電型
を逆にしてもよい。ただし、実施形態の導電型であれ
ば、光生成された電子・正孔対のうち電子をアバランシ
ェ増倍する事となるので、高感度検出のためにはより好
ましい。
For example, the semiconductor substrate 1 may be of the n + type, and the conductivity types of all elements such as the light receiving layer 3 and the field dope layer 5 may be reversed. However, if the conductivity type of the embodiment is used, avalanche multiplication of electrons of the photo-generated electron-hole pairs is more preferable for high-sensitivity detection.

【0037】また、アバランシェ増倍機能を有していな
い通常のPINホトダイオードでもよい。ただし、AP
Dに印加される逆バイアス電圧は通常のPINホトダイ
オードより高いので、本発明による高耐圧化の効果はA
PDの方がより優れている。
Further, a normal PIN photodiode having no avalanche multiplication function may be used. However, AP
Since the reverse bias voltage applied to D is higher than that of a normal PIN photodiode, the effect of increasing the breakdown voltage according to the present invention is A
PD is better.

【0038】尚、APDにおいて表面の反転化によるリ
ーク電流を防止する技術として、特開昭58−1158
73号公報が知られているが、これはPN構造のホトダ
イオードに関するものであり、基本構造が本発明と異な
る。また、表面がn-型からp-型に反転するのを防止す
るために、表面をn-型からn型に高ドープ化するもの
であり、間隔部分を極性反転し得る程度の低ドープ領域
のまま残しておく本発明と異なる。このため、上記公報
の技術ではpn接合の界面に電界が集中し耐圧が低下す
る。
As a technique for preventing a leak current due to inversion of the surface in an APD, Japanese Patent Laid-Open No. 58-1158 discloses a technique.
No. 73 is known, but relates to a photodiode having a PN structure, and its basic structure is different from that of the present invention. Further, in order to prevent the surface from being inverted from n type to p type, the surface is highly doped from n type to n type. This is different from the present invention which is left as it is. For this reason, in the technique of the above publication, the electric field is concentrated on the interface of the pn junction, and the breakdown voltage is reduced.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明のホトダイオードによれば、ガー
ドリング層とチャネルストッパ層の間にチャネルストッ
パ層と接するフィールドドープ層を設け、さらにフィー
ルドドープ層とガードリング層の間に一定の間隔部分を
設けたので、間隔部分が極性反転するか否かにかかわら
ず電界集中を緩和でき、高耐圧化できる。
According to the photodiode of the present invention, a field dope layer in contact with the channel stopper layer is provided between the guard ring layer and the channel stopper layer, and a certain interval is provided between the field dope layer and the guard ring layer. Because of the provision, the concentration of the electric field can be reduced regardless of whether the polarity of the interval portion is inverted, and the withstand voltage can be increased.

【0040】このため、極性反転を考慮することなく、
エピタキシャル層の不純物濃度を設計できるので、用途
に応じて最も高感度で光吸収効率の高い光キャリア生成
領域として機能するエピタキシャル層を、P層とN層に
挾まれたI層に有するPIN構造のホトダイオードを実
現できる。
For this reason, without considering the polarity inversion,
Since the impurity concentration of the epitaxial layer can be designed, a PIN structure in which an I layer sandwiched between a P layer and an N layer has an epitaxial layer functioning as a photocarrier generation region having the highest sensitivity and the highest light absorption efficiency depending on the application. A photodiode can be realized.

【0041】特に、基板をp+型としたPIN−APD
とした時には、高耐圧化と高感度化を同時に達成できる
効果がある。
In particular, a PIN-APD having a p + type substrate
In this case, there is an effect that high withstand voltage and high sensitivity can be simultaneously achieved.

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

【図1】実施形態に係るPIN−APDの断面図であ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a PIN-APD according to an embodiment.

【図2】従来のPIN−APDの断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a conventional PIN-APD.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…p+型基板、2…p-型エピタキシャル層、3…n+
型層、4…n型ガードリング層、5…p型フィールドド
ープ層、6…p+型チャネルストッパ層、7…SiO
2膜、8…カソード電極、9…アノード電極、10…配
線、11…n型反転部、S…間隔部分。
1 ... p + type substrate, 2 ... p - type epitaxial layer, 3 ... n +
Type layer, 4 ... n-type guard ring layer, 5 ... p-type field dope layer, 6 ... p + type channel stopper layer, 7 ... SiO
2 film, 8 ... cathode electrode, 9 ... anode electrode, 10 ... wiring, 11 ... n-type inversion part, S ... interval part.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第一導電型不純物が高濃度にドープされ
た半導体基板と、 この半導体基板上に形成され、前記第一導電型不純物が
低濃度にドープされたエピタキシャル層と、 このエピタキシャル層の表層の受光領域に形成され、第
二導電型不純物が高濃度にドープされた第二導電型の受
光層と、 この受光層の周囲の前記エピタキシャル層に、前記受光
層よりも深くかつ内周が前記受光層と接続するように形
成され、前記第二導電型の不純物が低濃度にドープされ
た第二導電型のガードリング層と、 このガードリング層の周囲の前記エピタキシャル層に前
記ガードリング層と離隔して形成され前記第一導電型不
純物が高濃度にドープされたチャネルストッパ層と、 前記ガードリング層の周囲の前記エピタキシャル層に前
記ガードリング層と一定の間隔をあけると共に外周が前
記チャネルストッパ層と接続するように形成され、前記
第一導電型の不純物が前記チャネルストッパ層よりも低
濃度かつ前記エピタキシャル層よりも高濃度にドープさ
れたフィールドドープ層とを備え、 前記受光層と前記半導体基板に挟まれた前記エピタキシ
ャル層を光キャリア発生領域としたことを特徴とするホ
トダイオード。
A semiconductor substrate doped with a first conductivity type impurity at a high concentration; an epitaxial layer formed on the semiconductor substrate and doped at a low concentration with the first conductivity type impurity; A second-conductivity-type light-receiving layer formed in the surface light-receiving region and doped with a second-conductivity-type impurity at a high concentration; and the epitaxial layer around the light-receiving layer, the inner periphery of which is deeper than the light-receiving layer. A second-conductivity-type guard ring layer formed so as to be connected to the light-receiving layer and doped with the second-conductivity-type impurity at a low concentration; and the guard ring layer on the epitaxial layer around the guard ring layer. A channel stopper layer formed so as to be spaced apart from the first conductivity type impurity at a high concentration, and the epitaxial ring around the guard ring layer and the guard ring layer. A field-doped layer formed so that the outer periphery is connected to the channel stopper layer and the impurity of the first conductivity type is doped at a lower concentration than the channel stopper layer and at a higher concentration than the epitaxial layer. And wherein the epitaxial layer sandwiched between the light receiving layer and the semiconductor substrate is a photocarrier generation region.
【請求項2】 前記第一導電型はp型であり、前記第二
導電型はn型であり、 前記受光層に接続されたカソード電極と、前記チャネル
ストッパ層に接続されたアノード電極とを更に備えるこ
とを特徴とする請求項1記載のホトダイオード。
2. The method according to claim 1, wherein the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and a cathode electrode connected to the light receiving layer and an anode electrode connected to the channel stopper layer. The photodiode according to claim 1, further comprising:
JP8350729A 1996-12-27 1996-12-27 Photodiode Pending JPH10190041A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8350729A JPH10190041A (en) 1996-12-27 1996-12-27 Photodiode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8350729A JPH10190041A (en) 1996-12-27 1996-12-27 Photodiode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10190041A true JPH10190041A (en) 1998-07-21

Family

ID=18412463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8350729A Pending JPH10190041A (en) 1996-12-27 1996-12-27 Photodiode

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH10190041A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2367945A (en) * 2000-08-16 2002-04-17 Secr Defence Photodetector Circuit
US7271376B2 (en) 2002-07-11 2007-09-18 Qinetiq Limited Avalanche photodiode with reduced sidewall defects
CN100338783C (en) * 2002-08-28 2007-09-19 夏普株式会社 Optical receiving element and producing method thereof, and optical receiving element with built-in circuit

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2367945A (en) * 2000-08-16 2002-04-17 Secr Defence Photodetector Circuit
GB2367945B (en) * 2000-08-16 2004-10-20 Secr Defence Photodetector circuit
US6858912B2 (en) 2000-08-16 2005-02-22 Qinetiq Limited Photodetector circuit
US7271376B2 (en) 2002-07-11 2007-09-18 Qinetiq Limited Avalanche photodiode with reduced sidewall defects
CN100338783C (en) * 2002-08-28 2007-09-19 夏普株式会社 Optical receiving element and producing method thereof, and optical receiving element with built-in circuit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8916945B2 (en) Semiconductor light-detecting element
US11888003B2 (en) Photodetector
RU2290721C2 (en) Silicon photoelectronic multiplier (alternatives) and locations for silicon photoelectronic multiplier
CN107895743B (en) Apparatus and method for single photon avalanche photodiode detector
US7148551B2 (en) Semiconductor energy detector
JP2003124483A (en) Photovoltaic element
JP2013093609A (en) Semiconductor photodetection element
JP4522531B2 (en) Semiconductor energy detector
US8212327B2 (en) High fill-factor laser-treated semiconductor device on bulk material with single side contact scheme
JP3912024B2 (en) PIN type lateral type semiconductor photo detector
JPH0799782B2 (en) Semiconductor photodetector
CN111628034A (en) Method for manufacturing photoelectric detection device
JP4571267B2 (en) Radiation detector
JP3607385B2 (en) Silicon avalanche photodiode
JP2002314116A (en) Lateral semiconductor photodetector of pin structure
JPH10190041A (en) Photodiode
JPS63160270A (en) Semiconductor device having photosensor and signal processing element
JPS6286756A (en) Optoelectric transducer
JPS5996781A (en) Photo diode
JPH08130324A (en) High breakdown strength planar photodecector
RU2240631C1 (en) Photodetector
JPS6214478A (en) Photo-sensor
CN211980629U (en) Semiconductor device and photodetection system
JPS61105878A (en) Semiconductor light-receiving element
JPH04242980A (en) Light-receiving element