JPS60218887A - 半導体光検出素子 - 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】 （技術分野） 本発明は可視光のほか、赤外光にも充分高い感度があり
、増幅機能を有する高速の半導体光検出素子に関する。

（発明の背景） 従来の自己増幅機能を有する半導体光検出素子では、主
たる光検出領域となる部分が増幅部分と同一である。例
えば、バイポーラトランジスタの場合には、ベース・コ
レクタ間のＰＮ接合、またばＰＩＮ接合が光検出領域で
あり、電界効果トランジスタや静電誘導形トランジスタ
の場合には、ゲート・ドレーン間のＰＮ接合、またはＰ
ＩＮＩ妻合が光検出領域である。前記のような素子では
、光検出素子としての最適化条件と、増幅素子としての
最適化条件とを合致させることが困難であり、特に高速
を目的とした光検出素子の場合には、赤外感度を低下さ
せてしまうという欠点があった。

第１図は、従来のバイポーラトランジスタを使用した半
導体光検出素子の一例を示す断面図である。第１図にお
いて、半導体光検出素子は高不純物濃度のＮ＋形半導体
層１“１　（コレクタ）と、Ｎ＋形半導体層１１の上に
形成された高比抵抗のＮ−形半導体層重２と、Ｎ−形半
導体層１２の内部に形成された高不純物濃度のＰ形半導
体領域１５（ベース）と、Ｐ形半導体領域１５の内部に
形成された高不純物濃度のＮ＋形半導体領域１６（エミ
ッタ）とから構成されている。なお、同図でｈνは入射
光を示している。

第２図は電界効果ｌ・ランジスタ、または静電誘導形ト
ランジスタによる半導体光検出素子の一例を示す断面図
である。第２図において、Ｎ＋形半導体領域２６はＰ形
半導体領域２５に挿まれたり、あるいは囲まれて形成さ
れている。前記以外には、第２図は第１図とほぼ同様で
ある。第２図において、２１はＮ＋形半導体層、２２は
Ｎ−形半導体層であり、それぞれ第１図におけるＮ＋形
半導体層１１、ならびにＮ−形半導体層１２に相当する
。

したがって、第１図のエミッタが第２図のソース。

ベースがゲート、コレクタがドレーンにそれぞれ対応す
る。

第１図に示したバイポーラトランジスタが高速応答する
ためにはコレクタ直列抵抗が小さい方がよく、そのため
にＮ−形半導体層１２はできる限り薄くする方がよい。

また、第２図に示した電界効果トランジスタや静電誘導
形ｌ−ランジスタの場合にも、Ｎ−形半導体層２２ば薄
くすることが望ましい。第３図（ａｌは、第２図に示す
Ｎ−形半導体Ｎ２２が厚い場合の静電誘導形トランジス
タのＶ、−γ特性図の一例である。第３図（ａｌでは、
ソース・ドレーン間の主電流通路−（チャンネル）の抵
抗が大きいため、１ごレーン電圧の印加に伴ってドレー
ン電流が飽和してしまう。第３図［ｂｌは、Ｎ−形半導
体Ｊｉｔ２２が厚い場合のＶ−１特性図の一例である。

第３図ｉａ）、　（ｂ）、の特性は、静電誘導形トラン
ジスタとして最適ではないため、ゲート電圧によるｖ−
、γ特性のシフトが一様ではなく、したがって電圧増幅
率が一定ではない。第３図（ａｌ、　（ｂｌに示すよう
な特性を有する静電誘導形トランジスタをホトｉ・ラン
ジスタとして使用した場合には、入出力特性の直線性、
すなわちγ特性が著しく劣化する。第３図（Ｃ１はＮ−
形半導体層２２を薄くして、静電誘導形トランジスタと
して最適化した場合のＶ−γ特性の一例を示す図であり
、この場合には電圧増幅率が一定となるのでγ特性は向
上する。

一方、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を光検出素子として使
用した場合、Ｎ−形半導体Ｊｉ３１２（２２）を薄くす
ると赤外光領域の感度は著しく低下する。第４図はこの
ような性質を説明するための特性例で、シフトについて
の検出波長λと量子効率η（λ）との関係を、正孔の拡
散長Ｌｌ）をパラメータとして示しである。赤外光によ
り感度を有するためには、Ｎ−形半導体層２２は厚くす
る方がよい。また、Ｎ−形半導体層２２を厚くしても空
乏化していない状態では、空乏層より深い所で光により
生成したキャリアは、空乏層まで拡散により移動するた
め、高速にはならない。高速で光を検出するためには、
入射した光の９０％以上が空連層内で吸収されなくては
ならない。例えば、λ＝９００ｎａｎｏｍの光の高感度
、高速検出には空乏層が最低３０μｍ以上である必要が
ある。

また、一般に空乏層幅Ｗは ｗ＝（１／２）　・　（ρＶ）ｌ／２　・・・ｆｌ）に
より与えられている。ここで、ρは空乏層を形成する半
導体層の比抵抗、■はＰＮ接合またばＰＩＮ接合に加え
る印加電圧である。従って、静電容量Ｃは ＣＬｆ−１／（ρｙ）１／２　・・・（２）により表さ
れる。したがって、同じ空乏層幅を得るためには、比抵
抗が大きいほど印加電圧が小さくて済む。このため、赤
外に高感度で高速な光検出素子を得るためには、空乏層
を形成する半導体領域に高抵抗層を有することが必要で
ある。

前記理由により、第１図および第２図に示した従来方式
の半導体光検出素子では、赤外光領域で高感度であって
、高速応答特性を有し、Ｔ特性の良好な素子を得ること
は困難であった。また、第２図に示した電界効果トラン
ジスタや静電誘導形トランジスタでは、通常、チャンネ
ル抵抗を小さく構成するため、Ｎ＋形半導体領域２Ｇは
多数の線状構造により形成されるため、アルミニウム薄
膜により取出し電極を形成すると開口率が低下するばか
りか、アルミニウム薄膜層からの反射のため、光検出素
子としては好ましくないという欠点を有した。

（発明の目的） 本発明の目的は、不純物をドープしたシリコン基板上へ
ＰＩＮ接合により形成した光検出部と、バイポーラトラ
ンジスタ、電界効果トランジスタ、または静電誘導形ト
ランジスタにより形成した充電流増幅部とを集積構造に
よって個々に近接して形成し、前記ＰＩＮ接合の１層の
厚さを十分に厚くして赤外光領域においても多量の正孔
−電子対が得られるように選定し、かつ、前記充電流増
幅部の増幅率が大きく、高速であって、直線性が良好で
あるように選択して構成することによって前記欠点を除
去し、赤外光領域においても高感度で高速の半導体光検
出素子を提供することにある。

（発明の構成） 本発明による半導体光検出素子は、第１の導電形を有す
る第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された第
１の導電形を有する第２の半導体層と、第２の半導体層
の内部に形成された第１の導電形を有する第３の半導体
部分領域と、第２の半導体層上に形成された第１の導電
形を有する第４の半導体層と、第４の半導体層の内部の
第３の半導体部分領域上の部分に形成された第２の導電
形を有する第５の半導体領域と、第５の半導体領域の内
部または第５の半導体領域に挿入されたり、あるいは取
囲まれた部分に形成され、第１の導電形を有する第６の
半導体領域と、第４の半導体層の内部の第３の半導体部
分領域上の部分であって、第６の半導体領域以外の部分
に形成された第１の導電形を有する第７の半導体領域と
、第４の半導体層の内部であって、第３の半導体部分領
域上の部分以外に形成された第２の導電形を有する第８
の半導体領域とからなるものである。

前記半導体光検出素子において、第１．第２゜および第
４の半導体層、ならびに第８の半導体領域により光検出
部が形成されている。また、第３の半導体部分領域、第
４の半導体層、ならびに第５〜第７の半導体領域により
充電流増幅部が形成されている。

前記において、第１の導電形はＮ形またはＰ形とするこ
とができ、第１の導電形がＮ形である場合には第２の導
電形はＰ形である。一方、第１の導電形がＰ形である場
合には第２の導電形はＮ形である。

前記においては、第２の半導体層の不純物濃度を第１の
半導体層の不純物濃度より極めて低く選び、第１の半導
体層から第２の半導体層を介して第８の半導体領域によ
り形成されるＰＩＮ接合の空乏層の厚さを赤外光領域に
おいても多量の正孔−電子対が生成されるように十分厚
く構成しである。

（実施例） 次に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第５図（ａ）は本発明による半導体光検出素子の第１の
実施例を示す断面図であり、第５図（ｂｌはその等価回
路である。第５図（ａｌは高不純物濃度のＮ＋形半導体
層５１と、Ｎ＋形半導体層５１上に形成された高比抵抗
のＮ−形半導体層５２と、Ｎ−形半導体層５２の内部に
形成された高不純物濃度のＮ＋形半導体部分領域５３と
、Ｎ−形半導体層５２上に形成さた高比抵抗のＮ−形半
導体層５４と、Ｎ−形半導体層５４の内部のＮ＋形半導
体部分領域５３上の一部分に形成された高不純物濃度の
Ｐ形半導体領域５５と、Ｐ形半導体領域５５の内部に形
成された高不純物濃度のＮ＋形半導体領域５６と、Ｎ−
形半導体層５４の内部のＮ＋形半導体部分領域５３上の
一部分のＰ形半導体領域５５の外側に形成された高不純
物濃度のＮ＋形半導体領域５７と、Ｎ−形半導体層５４
の内部のＮ＋形半導体部分領域５３上の一部分以外に形
成された高不純物濃度のＰ形半導体領域５８により構成
されている。第５図（ａｌに示す半導体光検出素子にお
いて、Ｎ＋形半導体層５１と、Ｎ−形半導体領域５８と
の半導体層、または半導体領域により形成されたＰＩＮ
接合が光検出領域として動作し、Ｎ＋形半導体部分領域
５３、Ｎ−形半導体Ｎ５４、Ｐ形半導体領域５５、Ｎ＋
形半導体領域５６、Ｎ＋形半導体領域５７により形成さ
れたバイポーラトランジスタが増幅領域として動作する
。第５図（ａ）に示すように、アルミニウム薄膜層によ
る配線やワイヤリングにより充電流増幅エレメントを光
検出エレメントと接続すれば、第５図Ｔｂ）に示すよう
な等価回路が得られる。この等価回路は、第１図に示し
た従来方式の半導体光検出素子の等価回路と全く同様で
ある。

第６図（ａ）は本発明による半導体光検出素子の第２の
実施例を示す断面図であり、第６図（ｂｌ、　（Ｃ１は
その等価回路である。第６図（ａ）は、第５図（ａｌに
示すバイポーラトランジスタを、電界効果トランジスタ
や静電誘導形トランジスタに置換したものにすぎない。

第５図（ａ）ならびに第６図ｔａ＋に示した本発明によ
る半導体光検出素子では、増幅領域と光検出領域とを分
割したことにより赤外光にも高感度、高速で増幅機能を
有する光検出素子として最適化されるものである。

第５図（ａｌならびに第６図（ａｌの半導体光検出素子
では、例えば不純物濃度がＩＸＩＱ１９ｃ＋ｎ−３のＳ
ｂをドープしたＮ＋形Ｓｔ基板を準備する。次に、この
基板上に比抵抗が１００ΩＣｌ１１のエピタキシャル層
を４０μｍにわたって成長させ、選択拡散によってＩ　
Ｘ　１０”　ｃｍ−’のｓｂ、またはＡｓをドープした
Ｎ＋形半導体領域５３（６３）を形成し、さらに比抵抗
が１００Ωｃｍのエピタキシャル層を１０μｍにわたっ
て成長させる。このエピタキシャル層はバイポーラトラ
ンジスタ、電界効果トランジスタ、ならびに静電誘導形
トランジスタの特性を支配するもので、特性が最適化さ
れるようにエピタキシャル層を成長させる。これ以降は
、従来と全く同じ半導体プロセスにより、１×１０１９
ＣＩ１１−３の不純物濃度で厚さが２μｍのＰ形半導体
領域５５．５８　（６５，６８）を形成し、３Ｘ１０”
Ｃｌ１１″３不純物濃度で厚さが１μｍのＮ＋形半導体
領域５６．５７　（６６，６７）を形成する。バイポー
ラトランジスタを増幅素子とする場合には、Ｐ形半導体
領域５５．５８　（６５，６８）の不純物濃度はＮ＋形
半導体領域５６．５７　（６６，６７）に比べて１桁〜
２桁だけ低い方がよい。また、電界効果トランジスタや
静電誘導形トランジスタを増幅素子とする場合には、Ｐ
形半導体領域５５（６５）、ならびにＮ＋形半導体領域
５６（６６）の不純物濃度や厚さは、パターンの寸法や
Ｎ−形半導体層５４（６４）の比抵抗によりチャンネル
抵抗や電圧増幅率のような素子特性を支配する。

バイポーラトランジスタの場合には、電流増幅率やオン
電圧を支配するので、所望の値となるよう変えればよい
。

ここで、光検出領域となるＮ−形半導体層５２゜５４　
（６２，６４）は使用するバイアス電圧により完全に空
乏化するようにエピタキシャル層の比抵抗と厚さとを決
定する。また、増幅領域のＰ形半導体領域５５（６５）
とＮ＋形半導体部分領域５３（６３）とによって形成さ
れたＰＩＮ接合が降伏しないようＮ−形半導体Ｎ５４の
比抵抗と厚さとを決定する。前記の実施例では、７０Ｖ
〜８０■の逆バイアス電圧でＮ−形半導体層５２，５４
　（６２，６４）は完全に空乏化して降伏は起らない。

本発明による半導体光検出素子では、光検出領域と増幅
領域とを分割することにより光検出領域の空乏層の厚さ
を厚くすることができ、従来の光検出素子に比べて赤外
光領域の感度を著しく向上できる。しかし、Ｐ’　Ｉ　
Ｎ構造であるため、高速動作は変らない。また、光検出
領域のアルミニウム配線も最小で済むため反射も問題に
はならず、増幅領域は最適化できる。すなわち、増幅領
域では必要なだけアルミニウム配線を布線することがで
き、エミッタやソースも多数に構成できるため、直列抵
抗も十分に小さくでき、高速動作が可能であってγ特性
も向上する。

第７図は、本発明による半導体光検出素子の第３の実施
例を示す断面図である。第５図（ａ）により示したＮ＋
形半導体領域５７がＮ＋形半導体部分領域５３と接する
ように構成し、しかもＰ形半導体領域５５を囲むように
形成したものである。このような素子では、直列抵抗を
さらに小さく構成できるので、より高速の動作が可能で
ある。

なお、前記においては本発明による半導体光検出素子の
一実施例を示したにとどまり、前記の１Ｐ形」をｒＮ形
」、「Ｎ形」を「Ｐ形」として構成でき、その他の変形
や変更が可能であることはいうまでもない。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、不純物をドープしたシリ
コン基板上へＰＩＮ接合により形成した光検出部と、バ
イポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、または
静電誘導形トランジスタにより形成した充電流増幅部と
を集積構造によって個々に近接して形成し、前記ＰＩＮ
接合のＩＦｔの厚さを十分に厚くして赤外光領域におい
ても多量の正孔−電子対が得られるように選定し、かつ
、前記充電流増幅部の増幅率が大きく、高速であって、
直線性が良好であるように選択して構成することにより
、赤外光領域においても可視光領域と同様な感度が得ら
れ、同時に充電流増幅部においては光検出部の特性とは
独立に高速が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、バイポーラトランジスタを使用した従来方式
による半導体光検出素子の一例を示す断面図である。 第２図は、電界効果トランジスタまたは静電誘導形トラ
ンジスタを使用した従来方式による半導体光検出素子の
一例を示す断面図である。 第３図は、静電誘導形ｌ・ランジスタのＶ−１特性を示
す図である。第３図において、（ａｌはチャンネル抵抗
の大きい静電誘導形トランジスタの■−１特性の一例、
（ｂ）は最適ではない静電誘導形トランジスタのＶ−１
特性の一例、（Ｃ）は最適化した静電誘導形トランジス
タのＶ−Ｉ特性の一例を示す図である。 第４図は、シリコン半導体によるＰＮ接合、あるいはＰ
ＩＮ接合の波長と量子効率との関係を示す特性図を例示
したものである。 第５図はバイポーラトランジスタを使用した本発明によ
る半導体光検出素子の第１の実施例を示す図であり、同
図において（ａｌは断面図、（ｂｌは等価回路図である
。 第６図は電界効果トランジスタまたは静電誘導形トラン
ジスタを使用した本発明による半導体光検出素子の第２
の実施例を示す図であり、（ａｌは断面図、（ｂ）およ
び（Ｃ１は等価回路図である。 第７図はバイポーラトランジスタを使用した本発明によ
る半導体光検出素子の第３の実施例を示す断面図である
。 １１．１６．２１，２６，５１，５３，５６゜５７．６
１，６３，６６．６７．７１，７３゜７６．７７・・・
Ｎ＋形半導体層（領域）１２．２２，５２，５４．６２
，６４，７２゜７４・・・Ｎ−形半導体Ｎ（領域） １５．２５，５５．５８，６５，６８，７５゜７８・・
・Ｐ形半導体層（領域） 才５図（ａ） ｈジ オ６図（ａ） 才５図（ｂ） 才　６　図（ｂ） 牙６　図（す ■

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　第１の導電形を有する第１の半導体層と、前記
   第１の半導体層上に形成された前記第１の導電形を有す
   る第２の半導体層と、前記第２の半導体層の内部に形成
   された前記第１の導電形を有する第３の半導体部分領域
   と、前記第２の半導体層上に形成された前記第１の導電
   形を有する第４の半導体層と、前記第４の半導体層の内
   部の前記第３の半導体部分領域上の部分に形成された前
   記第２の導電形を有する第５の半導体領域と、前記第５
   の半導体領域の内部または前記第５の半導体領域に挿入
   されたり、あるいは取囲まれた部分に形成され、前記第
   １の導電形を有する第６の半導体領域と、前記第４の半
   導体層の内部の前記第３の半導体部分領域上の部分であ
   って、前記第６の半導体領域以外の部分に形成された前
   記第１の導電形を有する第７の半導体領域と、前記第４
   の半導体層の内部であって、前記第３の半導体部分領域
   上の部分以外に形成された前記第２の導電形を有する第
   ８の半導体領域からなり、前記第１．第２および第４の
   半導体層、ならびに前記第８の半導体領域により光検出
   部を形成し、前記第３の半導体部分領域、前記第４の半
   導体層、ならびに前記第５、第６．第７の半導体領域に
   より充電流増幅部を形成するように構成したことを特徴
   とする半導体光検出素子。
2. （２）　前記第１の導電形がＮ形であると共に、前記第
   ２の導電形がＰ形である特許請求の範囲第１項記載の半
   導体光検出素子。
3. （３）前記第１の導電形がＰ形であると共に、前記第２
   の導電形がＮ形である特許請求の範囲第１項記載の半導
   体光検出素子。
4. （４）前記第２の半導体層の不純物濃度を前記第１の半
   導体層の不純物濃度より極めて低く選び、前記第１の半
   導体層から前記第２の半導体層を介して前記第８の半導
   体領域により形成されるＰＩＮ接合の空乏層の厚さを赤
   外光領域においても多量の正孔−電子対が生成されるよ
   うに充分厚く構成した特許請求の範囲第１項記載の半導
   体光検出素子。