JPS60258980A - 半導体光検出装置 - Google Patents

半導体光検出装置

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JPS60258980A
JPS60258980A JP60086359A JP8635985A JPS60258980A JP S60258980 A JPS60258980 A JP S60258980A JP 60086359 A JP60086359 A JP 60086359A JP 8635985 A JP8635985 A JP 8635985A JP S60258980 A JPS60258980 A JP S60258980A
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germanium
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JP60086359A
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Hirobumi Ouchi
博文 大内
Masahiro Okamura
岡村 昌弘
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type

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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体光検出装置に係り、特に高量子効率、広
波長帯域光検出装置に関する。
〔発明の背景〕
半導体光検出装置、特にアバランシェ・ホトダイオード
(APDと略称)では、なだれ現象を利用しているため
pn接合には高電界が生じ、いかにして均一に、かつ欠
陥なく接合を形成するかが重要である。また、素子の信
頼性を維持するためには表面に露出した接合を保護する
ことによって外部雰囲気の影響を排除することが大切で
ある。
従来は結晶形成技術、均一接合形成技術、表面保護技術
が進歩していること、物質個有の電子構造が紫外から近
赤外の比較的広い波長の光の検出に適していること、お
よび物質の禁止帯幅がある程度大きいため、常温動作に
おいて暗電流がかなり小さくなることなどの利点を持つ
ため、シリコンを材料とした光検出装置が最もよく用い
られている。
しかしながら、シリコン光検出装置は物質個有の電子構
造によって近赤外領域の光吸収係数が小さくなるため、
G a A sを基体とした半導体レーザや発光ダイオ
ード、あるいは光ファイバの伝送損失が小さい波長領域
にあるYAGレーザからの光に対する光電変換効率が著
しく低くなる。このため、pin構造や超階段接合構造
にすることによって、空乏層化した光吸収領域幅を大き
くし、受光素子としての他の性能を大幅に低下させずに
長波長側感度の低下を防止することに努めてきた。しか
し、空乏層幅を大きくすると、その領域で生じたキャリ
アが接合に到達するまでに要するキャリア走行時間が大
きくなり、高周波での応答速度が低下すること、広い領
域を空乏層化するためには動作電圧がかなり大きくなる
こと、空乏層幅を大きくしても長波長側感度、例えばY
AGレーザ光などに対する感度を大きくするには限界が
あることなどの欠点があり、そうした改善が望まれてい
る。長波長側の光電変換効率を高める方法として、ゲル
マニウムを用いた光検出装置が考えられてる(例えば、
特開昭49−122293号)が、ゲルマニウムのデバ
イス製造技術、表面保護技術などがシリコンに対する技
術はどでないこと、禁止帯幅が小さいため常温での暗電
流がかなり増加することは避けられないことなどの欠点
があり、それほど実用化されるまでに至っていない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、光電変換効率が高く暗電流の少ない、
広波長帯域に応答する半導体光検出装置を提供すること
にある。
〔発明の概要〕
本発明は、上記目的を達成するため、光吸収領域とアバ
ランシェ領域を分離したことを特徴とする。すなわち、
受光部接合を禁止帯幅の大きい半導体で形成し、光吸収
領域を禁止帯幅の小さい半導体で形成したことを特徴と
する。
唱 このように光吸収領域を禁止帯域の小さい半導体で形成
していることから広波長帯域l応答することができ、ま
た受光部接合を禁止帯幅の大きい半導体で形成している
ことから暗電流を低くすることができる。そして、禁止
帯幅の大きい接合領域では殆んど入射光が吸収されず、
内部の禁止帯幅の小さい領域で吸収されるため、受光表
面付近での光励起キャリアの再結合損失を小さくでき高
い光電変換効率が得られる。
〔発明の実施例〕
第1に示すような従来のn+p p” (n+πp”)
あるいはn + pπp十構造の受光素子では、少なく
とも大部分のp層あるいはp層とπ層の全域を空乏層化
して動作させることが多く、その領域が主たる実効的な
光吸収領域となっている。本発明の実施例ではそのp層
の一部、ないしはπ層領域、家 あるいはp層の一部と一層領域をシリコンよりl3− 正帯幅の小さいシリコンとゲルマニウムの混晶によって
形成し、主接合(pn接合)はシリコンによって形成す
ることに特徴がある。
p+シリコン基板を用いた場合の本発明によるホトダイ
オードの一実施例を第2図に示し、製造方法について説
明する。P+基板は取扱い上の理由から厚さが150〜
200ILmで、オーミック電極を取り易くし、直列抵
抗を少なくする目的から比抵抗が0.01Ω−■以下の
ウェハを用いる。
基板1上に連続的なエピタキシャル成長法によって、ま
ず厚さが10μm、比抵抗が100Ω−■のゲルマニウ
ムの混入モル比が25%のp形混晶層2を形成し、次に
ゲルマニウムの供給を停止して高純度のp形シリコン層
3を形成する。領域3の厚さは5μm、比抵抗は200
Ω−Gである。
その後公知の拡散法によって領域3内に表面濃度が1×
1020G−3、拡散深さ2μmのチャンネル阻止P十
領域4が形成され、さらに公知の拡散法によって領域3
内に表面濃度が1×101B〔−3、拡散深さが1μm
のn+層5が形成される。
4− 領域5の厚さは1μm以下にすることが望ましい。
更に、表面保護膜としての酸化膜6を形成した後、反射
防止膜7、電極8,9が形成される。
上述の方法によって得られたホトダイオードの動作につ
いて説明する。領域2,3は高抵抗であの るた〆、約20Vの動作電圧で空乏層化し、その領域で
生じた光励起キャリアは飽和速度で接合11まで走行す
る。また、領域2の帯止帯幅は約1、OeVになるため
(吸収端波長は約1.24μmになる)、吸収端波長が
長波長側まで延び、長波長側の吸収係数はSiの場合よ
りはるかに大きくなる。このため、波長が1.1μm程
度までの光感度は大幅に増加する。第3図は第2図にお
ける領域2を厚さ20μmのシリコンとした従来のシリ
コンのみを基体とした受光素子(曲線■)と本発明によ
る混晶領域が入った場合の受光素子(曲線■)の分光感
度特性を比較して示す。
p+シリコン基板を用いた場合の本発明によるAPDの
一実施例を第4図に示し、製造方法について説明する。
P+基板は取扱い上の理由から厚さが150〜200μ
mで、オーミック電極を取り易くし、直列抵抗を少なく
する目的から比抵抗が0.01Ω−■以下のウェハを用
いる。基板21上に連続エピタキシャル成長法によって
、まず厚さが10μm、比抵抗が100Ω−■のゲルマ
ニウムの混入モル比が最大25%のP形混晶層22(領
域22の中間で混入モル比が最大となり、領域21と次
に述べる領域23との境界近くでは混入モル比が低下す
るようにする)を形成し、次にゲルマニウムの混入比が
零の純シリコンからなる厚さ5.5μm、不純物濃度5
X1015国−3のp影領域23を形成する。その後公
知の拡散方法によって表面濃度が1×1019■−3、
拡散深さが6μmのカードリング領域24が形成され、
更に表面濃度が2X101B■−3、拡散深さ1μmの
n+層25が形成される。26は表面保護膜、27は反
射防止膜、28.29は電極である。
本実施例によって得られたAPDの動作につい; て説
明する。入射光の大部分は空乏層化された領域22.2
3で吸収される。領域21と22の境界の電界強度は約
lX10’V/■となっているため、領域22.23内
で光励起された電子は飽和速度で接合30までドリフト
する。このため素子の応答速度は非常に早い。接合30
はなだれ増倍を起すに十分な電界強度になっているため
、接合近傍に達したキャリアはなだれ増倍作用を受ける
。接合はシリコンによって形成されているため、均一で
欠陥がなく、安定な増倍特性が得られる。
領域22は禁止帯幅が最小で約1.OeVと小さくなっ
ているため、その領域での長波長側吸収係数が増大し、
長波長側で従来素子より感度増感した。
かつ、長波長側応答波長の延びたAPDが得られる。本
発明によるAPDの分光感度特性は第3図に示したと同
様の特性を示す。また、本発明によるAPDは領域22
を約20μmとした従来のシリコンAPDよりも動作電
圧は約15V低減する上、上述したような分光感度特性
の改善が得られる。
上述した本発明の実施例の効果を列挙すると次のように
なる。
7− (イ)主接合(pn接合)はシリコンで形成するため、
シリコンデバイス技術が適用できるので、均一な欠陥の
ない接合が形成でき、APDのような高電界が要求され
る場合でもマイクロプラズマのない秀れた接合を実現で
きる利点がある。
(ロ)光吸収領域は禁止帯幅の小さい結晶で形成するた
め、そこでの光吸収係数が増大し、従来はど厚い光吸収
領域を必要としないこと。
(ハ)光吸収係数が大きくなるため、長波長側の光電変
換効率を高くできること。
(ニ)光吸収領域の禁止帯幅が小さくなるため、吸収端
が長波長側に延び、応答可能な波長帯域が広くなること
(ホ)光吸収領域幅が従来より小さくてよいため、そこ
でのキャリア走行時間が小さくなり、高周波での応答特
性がよくなること。
(へ)光吸収領域が小さくなるため、その領域を空乏層
化するために必要な動作電圧が小さくなること。
これまでp+基板を用いた場合について述べた8− がP→H,n−+p、π→νに変えたn+基板を用いた
場合においても本発明の本質が変るものではない。
本発明では、主接合がシリコンのpn接合を用いた場合
について述べたが、シリコンと薄い光透 ・過性の金属
とで形成される、いわゆるショットキ接合を用いた場合
においても本発明の本質に変りはない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、禁止帯幅の小さい半導体で形成した光
吸収領域と禁止帯幅の大きい半導体で形成した受光部接
合領域とに分離していることから、光電変換効率が高く
暗電流の低い、広波長帯域に応答可能な半導体光検出装
置が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の光検出器の断面図、第2図は本発明によ
る光検出器の一実施例を示す断面図、第3図は従来の光
検出器と本発明による光検出器の分光感度特性を示す図
、第4図は本発明による他の一実施例を示す断面図であ
る。 1 基板 2 混晶領域 3 シリコン層 5 拡散層 代理人 弁理士 小 川 勝 男 11− 第7図 第2図 (祠 6S怖〜N〉勺〜 \ ト 〜〜 〜〜 ヘ一へ−へ1 へ1 〜 l 誂号

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、禁止帯幅Egzの半導体により形成された受光部接
    合と、禁止帯幅Eg2の半導体とを有し、前記禁止帯幅
    Eg2は禁止帯Egtよりも小さいことを特徴とする半
    導体光検出装置。
JP60086359A 1985-04-24 1985-04-24 半導体光検出装置 Granted JPS60258980A (ja)

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JP60086359A JPS60258980A (ja) 1985-04-24 1985-04-24 半導体光検出装置

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JP60086359A JPS60258980A (ja) 1985-04-24 1985-04-24 半導体光検出装置

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JPS60258980A true JPS60258980A (ja) 1985-12-20
JPS6229917B2 JPS6229917B2 (ja) 1987-06-29

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0616374A1 (en) * 1993-03-19 1994-09-21 Fujitsu Limited A semiconductor light detecting device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4995867U (ja) * 1972-12-12 1974-08-19
JPS5051285A (ja) * 1973-09-05 1975-05-08

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EP0616374A1 (en) * 1993-03-19 1994-09-21 Fujitsu Limited A semiconductor light detecting device
US5552616A (en) * 1993-03-19 1996-09-03 Fujitsu Limited Semiconductor light detecting device with groove

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JPS6229917B2 (ja) 1987-06-29

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