JPS5848479A - 半導体光検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ＰＩＮ接合型の半導体光検出器の改良に関す
る。

従来、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の半導
体光検出器で−は、Ｐ型式いはＮｌｌの半導体基板上に
不純物拡散等の手法を施してＰＮ接合が形成されている
。そして、その形状からメｆ型とプレーナ型とに分類さ
れる。メチ型のフォトダイオードは、第１図に示す如く
接合部周辺をエツチングして台地形に形成された・もの
で、接合容量を小さくでき、工程が比較的簡単で、その
ままでも周辺部耐圧の低下がない等の長所を有している
。その反面パツνペーＶａｙ（表面不活性化）や配線の
信頼性を上げることが難しく、また高密度化し難い等集
積化には致命的な欠陥を有する。プレーナ聾のフォトダ
イオードは、第２図に示す如くメサエッチングなしに表
面を平坦に形成されたもので、メサ型とはその長所およ
び短所が逆になっている。

なお、第１図および第２図において１はＮｌｌ高不純物
濃度結晶基板、２はＮ型低不純物濃度エピタキシャル層
、ＪはＰ型・高不純物濃度エピタキシャル層、４は上部
電極、５は下部電極、６は受光面、１は絶縁膜、８はＮ
ｉｌ高不純物濃度拡散層（チャネルストッパ）を示して
ｉ、１Ｓ　。

フォトダイオードは、一般に上記したＰＮ接合に逆バイ
アスを印加して使用されるが、この場合周辺部耐圧の低
下が大きな間層となる。特に、アバランシェ・フォトダ
イオード（以下ムＰＤと略記する）では、その増倍率を
上げるために接合中央部のブレークダウン電圧近くまで
バイアスをかけるため１周辺部でのブレークダウンが信
号電流を上まわる雑音成分となり。

−゛鳩深刻である。そこで従来、プレーナ微フォトダイ
オードでは、第３図に示す如く接合周辺・　部にガード
リング９を設けるようにしている。

、なお、このガードリング９は比較的低濃度で曲率の大
きい接谷とするため、受光面拡散層の全体は２菫拡散等
により形成される。

ところで、Ｓｉフォトダイオードでは、低濃度のエビタ
キＶ−を行うことが比較的容易であるから、量子動車が
高く接合容量の小さい理想的な素子を作るために不純物
濃度１Ｇ−”１〜１ｏ−１１１（傷−１〕の高濃度基板
上に１Ｏ−Ｉｔ〜ＩＱ−”（ｃｌＬ″″３〕の低濃度の
層を１０〜５０’（μ烏〕の厚さ′１成する３と”だ能
１あり・従−手法でも高耐圧素子を作製することは容易
であった。

ここで、上記低濃度層をＩｎｓｕｌａｔｌｓｘｇ　１ａ
ｙｅｒの頭文字を取って１層と呼び、このような接合は
ＰＩＮ接合と称されている。そして、１層中でのキャリ
アの寿命は通常１０〔２８３以上あり。

キャリアの走行時間０．１〜１０　（ａｍ）に比して十
分長いため、１層は信号電流の消滅には何ら作用を及ぼ
さないと見られる。

一方、最近波長・１〜１．７〔声襲〕の長距離光ファ、
イパ通信が注目−されて、いるが、この種の分野ではＩ
ｎＧ―五５Ｐ−ＩｎＰＪＰＧａムｊＡｓ８ｂ−Ｇｍｓｂ
等の材料を使ったフォトダイオードが必要とされるよう
になってきている。これらのｉ−Ｖ族半導体は、Ｇ・に
比、してそのバンド、ギャップが広く、漏れ電流を小さ
くでき、電子易動度が大きいことから高速応答が可能で
、また必要な波長に感度のピークを合わせることができ
る等の多くの可能性を有している。しかしながら。

８Ｍと比べると低濃度の結晶成長が難しく、せいぜい１
０　””　（ａｍ”）程度が得られている。したがって
、３０〜１００　（Ｖ）のブレークダウン電圧に対し−
ても、空乏化される領・域はその接合面から１０〔μ鶴
〕以下である。さらに、８１（二比して結晶性が劣るた
め、ブレークダウン電、圧よりも低いバイアス電圧にお
いても大き、な漏れ電流を生じる。こ・のため、出来る
限り低バイアスで使いたいとの要請があり、広い空乏層
を得ることは一層丙離である。また、感度の面から見る
と、上記厘−Ｖ族化合物半導体は光吸収により直接遷移
を起こすため、光吸収係数が大きく光吸収層の厚さは数
〔μ賜〕で十分である。

以上述、べた理由から従来の半導・体光検出器。

特に厘−Ｖ族化合物半導体から、な゛るフォトダイ・オ
゛−ドにあ・つては次のような問題があった。すなわち
、光吸収層は数、〔μ隅〕で十分であるが。

深いガードリングを形成するとその４先端が高一度基板
に接近・し、そこでの耐圧が受光部の耐圧以下になる虞
れがある。また、これを防ぐために低濃度層を厚・ぐ形
成す・ると、耐圧低下は免れるものの空乏化されずに残
る１部分が直列抵抗分として作用し、高速応答を妨げ光
電変換効率を下げる結果となり好ましくなかった”。　
・、本発明は上瀘己事情を考慮・してなされたもので。

その目的とするところは、高速応答性および光電変換効
率を低下させることなく、素子周辺耐圧を・太き、くす
ることができ、信頼性の同上をはかり得る半・導体光検
出器を提供することにある。

ます１本発明の詳細な説明する。本発明は。

ＰＩＮＩ１１合型の半導体光検出器において、１層とな
る半導体結晶層をその光入射面が凹面状で。

かつその中央部分が平面でその外周部分が中央平面部と
滑らかに接する曲面となるよう形成すると共に、上記１
層の光入射面上に形成すべき半導体結晶層を光入射面の
中央平面部全体および外周曲面部の一部若しくは全体に
形成し、かつその少なくとも中央平面部を略一様な厚さ
に形成したものである。したがって本発明によれば、従
来のガードリング構造と違って接合周辺部は、Ｐ型式い
はＮ型の高不純物濃１度層に接近せず、むしろ受光面よ
り遠ざかることになる。

このため、ブレークダウン電圧は接合周辺部より中央部
の方が低くなり、これ：二より接合周個、耐圧を大−き
くすることができる。しかも、ガードリングを設ける必
要がな１、■ことから１層を薄く、形成することができ
、高速応答性、および、光電変、換効率の同上をはかり
得る等の効果を奏する。

また１本発明は基本的には周辺部の構造から見てプレー
ナ型であり、メＩＦ−型のものの欠点を解決している。

さら（二本、発明により拡散プロセスの単純化がなされ
るのが特長である。

、以下１本発明の詳細を図示の実施例によって説明する
。６ 第４因は本発明の一実施例、に係わるＰＩＮフォトダイ
オードの概略構造を示す断面模式図である。−図中１１
はａｎｎ高不純物変度Ｎ−ＩｎＰ結晶基板Ｃ′ｊｓＩ半
導体結晶層）で！　ｌ、！、このＮ−Ｉｎ、Ｐ結晶極板
１１の上面には低不純物１ｌＦｆ（７）　Ｎ　−Ｉ　ｎ
　Ｐエピタキシャル成長層１２．Ｎ−Ｉｎ０．７８　Ｇ
ａ　Ｏ，２，７Ａ　ｓ　Ｏ，６８Ｐ　Ｏ，＠フヱビタキ
、シヤル成長層ＩＳおよびＮ−ＩｎＰエピタキシャル成
ｉ４−＠１４を順次成長してなる、第２半導体結、晶層
１５が設けられている。そして９．上記低不純物濃度の
Ｎ７．ＩｎＰ、Ｉ−ビタキシヤル成長廣１４の上部の光
入射面にはＣｄを拡散してなるＰ　−Ｃｄ、高濃度拡散
層（Ｆ１３半導体結−晶層）１ｇ、が形成されている。

ここで、Ｎ−ＩｎＰエビタキンヤル成長層１４はその光
入射面が凹面状に形成され、かつその中央部分は平面で
その外周部分は中央平面部と滑らかに接する曲面に形成
されでいる。そして、’　Ｐ　−Ｃｄ高濃度拡散層１６
はＮ−ＩｎＰエピタキシャル成長層１４の光入射面の中
央平面部および外周曲面部に宜り略一様な厚さに形成さ
れている。なお、第４図中１１はチャネルストッパとし
て作用するＮ−ａｎ高濃度拡散層、１８は低温ＣｖＴ）
法等にょるｓ　ｉ　ｏ、”膜、１９はムｕ　−Ｚ　ｎ蒸
着による上部電極（Ｐ側電極）、２ｏはムｕ　−８ｎ蒸
着による下部電極（Ｎ側電極）、２１は受光面を示して
いる。

また、上記各層１２．〜，７７．８１０．膜１１および
電極１９は１例えば次のようにして形成されたものであ
る。まず、（１００）面を持／）　Ｎ　−Ｉ　ａ　Ｐ結
晶晶板１１上にＮ−ＩｍＰエピタキシャル層１層上２相
にて１〔μ襲〕以下と薄めに成長させ、１ｎイてＮ　−
ＩａＯ，？Ｉ　Ｇａｐ、！？ムＳｏ、５ｉｐｏ、ｓマエ
ビタキシヤル成長層１３を２〜３〔μｍ）、Ｎ−ＩｎＰ
エピタキシャル成長層１４を妥光面下士２〔μ諺〕程度
残すように６〜１゜〔μ隅〕成長させる。次いで、Ｎ−
ＩｎＰエビダΦシャル成長層′１４に８ｎを選択的に拡
散し受光部と離してＮ　−８ｎ高濃度拡散層１１を形成
し、さらに３５０　（’Ｃ）’以下の′低源ＣＶＤ法に
て８１０、膜１Ｂを形成し、バ；ソシペーションを行う
。その後、受光部を１４　、８０　、−　Ｈ；　Ｏ，−
Ｈ，０にてエツチングし受光面２′１下のＮ　−Ｉ　ｎ
　Ｐエピタキシャル成長層１４を約２〔μｍ〕ｔ７；ｃ
し、そのエツチング表面Ｃ二Ｃｄを約１〔μｌ〕の深さ
に拡散して前記Ｐ−Ｃｄ高濃度拡散層１６を形成する。

次いで、受光部穴の周囲な（’ｄ拡散深さ公約１〔μ篇
〕だけ８１０．膜１８を除去し電極゛Ｊ９を蒸着により
形成する。かくして、前記第４図に示した構造が得られ
るもめとならでいる。

このような構造であれば、゛ガードリングの効果と同様
に第２車導体結晶＠ＩＢと第３半導体結晶層１ｇとの接
合部周辺での耐圧低下を防止することができる。瑞想的
には上記接合部の曲面は穴の無い場合の等電位面に沿っ
た形状、すなわちロゴスキー電極となっていることが望
ましい。しか−しながら、滑らかに平面部につながるド
ーナツ状曲面の一部であっても十分な効果のある中央部
で均一なアバランシェ増倍が起こり、８／Ｎを上げるこ
とができる。しかも、接合周辺部は従来のガードリング
構造と違ってＮ−ＩｎＰ結晶基板１ノに接近せず、むし
ろ遠ざかるため、そのブレークダウン電圧は中央部の方
が低くなる。また、エツチングの深さは４〜８〔２諷〕
であり１通常のメー構造に比してその段差は小さく、素
子周辺部分は完全信；不活性化されている。電極１９と
Ｐ−Ｃｄｉｌｌｉｉ１度拡散層１１とは拡散層１６のエ
ツジを通してコンタクトされており１段切れの眞れは極
めて少ない。

さらに、電界集中する場所ができないので周辺ブレーク
゛ダウンは迷けられ゛る―っまり１通常のプレーナ瓢の
長所に加えて周辺ブレークダウンに強いと云う利点があ
る。

第５図は他の実施例の概略構造を示す断面模式図である
。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。この実施例が先に説明した実施
例と異なる点は。

前Ｅ　Ｎ　−Ｉ　ｎ　Ｐエピタキシャル成長層１４の上
面にＩａＧａＡｓＰエピタキシャル成長層２２を形成し
ていることであり、受光面エツチングの際にＨ、８０，
−Ｈ，Ｏ，−Ｈ，Ｏにより上記成長層２２のみをエツチ
ングするようにしたものである。そして、成長層１４．
２２のエツチング速闇比（４：１）によりＩｎＧｍＡａ
Ｐエピタキシャル成長層２２のエツチングのストッパと
してＩｎＰエピタキシ゛ヤル成長層１４が利用できる。

したがって本実施例によれば、先の実施例と同様な効果
は勿論、受光面のＩｎＰエピタキシャル成長層１４表面
を鏡面に仕上げることが容易である等の効果を奏・する
。

なお１本発明は主述した各実施例Ｃ二限定されるもので
はない。例えば、前記上部ｗｔ極ＩＩＩの形成に際して
は、斜め方向か−ら−の蒸着やスパッタ等の技術を用い
、その後光入射部分の電極金属を除去するようにしても
よい。この場合、第６図に示す如＜ｓｉｏ、膜１８を前
記拡散層１６の厚さに除去する必要がなく、シかも段切
れの生じない電極形成が可能となる。また、拡散層１６
の上面にプラズマＣＶＤ法により、８Ｉ、Ｎ４膜を被検
出光の１７４波長の厚さに堆積して反射防止膜を形成す
るようにしてもよい。さらに。

前記拡散層１６は必ずしも前記Ｎ−ＩｎＰエピタキシャ
ル成長層１４の中央平面部および外周曲面部の全体に亘
って形成する必要はなく、上記中央平面部の全体と外周
曲面部の一部とに形成するようにしてもよい。また、フ
ォトダイオードに限らずフォトトランジスタ、その他各
種の半導体光検出、器に適用することができる。さらｉ
ｎ、ＩｎＧａＡｓＰ−ＩａＰ等の厘−Ｖ族半導体に限ら
ず％８ＭやＧｏ等の■族半導体に適用することも可能で
ある。その他９本発明の要旨を逸脱しない範囲で、植々
変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図はそれぞれ従来のＰＩＮ接合型フォト
ダイオードの概略構造を示す断面模式図、第４図は本発
明の一実施例の概略構造を示す断面模式図、第５図は他
の実施例の概略構造を示す断面模式図、第６図は変形例
を説明するための断面模式図である。 １１・・・Ｎ−１ｎＰ結晶基板（第１半導体結晶層）。 １２．１４・・・Ｎ−ＩｎＰエピタキシャル成長層。 ｘｓ、ｘｘ…Ｎ−ＩｎＧ麿に魯Ｐエピタキシャル成長層
、１５・・・第２半導体結晶層、１６・・・Ｐ　−Ｃａ
［濃度拡散層（第３半導体結晶層）、２１・・・受光面
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）第１導電型の高濃度不純物層からなる第１半導体
   結晶層と、この第１半導体結晶層上に成長形成された第
   １導電型の低鎖度不純物層からなる第２半導体結晶層と
   、この第２半導体結晶層上の光入射面に形成された第２
   導電型の高濃度不純物層からなる第３半導体結晶層とを
   具備したＰＩＮ接合型の半導体光検出器において、前記
   第２半導体−結晶層は、その光入射面が凹面状で、かつ
   その中央部分が平面にその外周部分が上記中央平面部と
   滑らかに接する曲面に形成され、ｎ記第３半導体結晶層
   は上記第２半導体結晶層上の光入射面の中央率ｆｆ１ｉ
   ！ｓ全体および外周曲面部の一部若しくは全体に形成さ
   れ、かつその少な□くとも中央平面部は略一様な厚さに
   形成されたものであることを４Ｉ徽とする半導体光検出
   器。 伐）　前記第１乃至第３の半導体結晶層は厘−ｖ族化合
   物半導体からなるものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の半導体光検出器。 （３）前記第２半導体結晶層は、ＩＩ数の層からなるも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   半導体光検出器。