JPS6059787A - 半導体受光素子 - 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】 （ａ）　発明の技術分野 本発明は半導体受光素子に係り、特に光通（ｉに用いる
ＰＩＮ描造の半導体受光素子に関する。

（ｂ）　技術の背景 光通信の分野に於ては、伝送路として用いられる光ファ
イバの性能によって０．８〔μ”）’！ｉＬ　１．３〔
μｍ〕帯＋　１５　〔ｔｔｍ〕帯の赤外光が通信媒体と
して用いられる。そして該光通信に使用する受光素子と
しては、Ｏ，Ｓ、（μｍ〕帯に対してはシリコン（Ｓｔ
）素子が又１．３〔μｍ〕帯、１．５（μｍ）蛍に対し
てはゲルマニウム（Ｇｅ）若しくはインジウム・ガリウ
ム・ひ素（ＩｎＧａＡｓ）素子が用いられ、その構造と
してはＰＩＮダイオード栴造が多く用いられる。

ＰＩＮダイオードには接合の種類として、ｐ＋ｌ！Ｊと
ｎ＋ｐ型との両方がある。以後ｐ＋ｎ型を用いて説明す
る。

第１図はＳｔを用いて形成されたｐ＋ｎ型ＰＩＮダイオ
ード第１り造の受光素子のｈｌｆｉｉ（イ）及び断面（
ロ）を示しプヒもので、図中１はｎ十型Ｓｉ基板、２は
ｎ−型Ｓｉエピタキシャル層、３はｆ型拡散領域、４は
ｔ５蘇膜、５は反射防止膜、６．７は電信である。

ＰＩＮ構造の受光素子は、このような惜造合有しており
、上部の電極６に囲まれた戸型拡散領域３とその直下部
のｎ−型Ｓｉエピタキシャル層２が光吸収領域となる。

そして該ＰＩＮ構造の受光素子に於ては、ｐ＋型拡散領
域３とｎ−Ｂｙエピタキシャル層２間に形ｒＪすされる
ｐｎ接合に所定の高逆バイアスを印加することによって
該エピタキシャル層２内に大きく広がったを芝屑を形成
させ、該窄乏層内に生ずる電界によ久光を吸収して該エ
ピタキシャル層２内に発生したキャリヤを加速し、電極
へ向って急速に竪動せしめることによって応答速度の同
上が図られていることが特憎である。

（Ｃ）従来技術と問題点 上記Ｐ　Ｉ　Ｎ　’ｌ：４逮の半、４鉢受元１子に於て
従来は、第１図に示し／ζように、例えばｎ−邪エビタ
キシャル層２の表面部に形成される一電極ｊめのｐへ拡
散領域３が、受光面の全…ｉを伝うように形成されてい
た。そのため大ａＨＩｔの素子に於ては、該ｐＪ拡散領
域３の接合容量の増大によって応答速度の低下を招くと
いう問題があった。又、ｐ’Ｎ！拡散領域３も元の吸収
領域ではあるが、高不純物濃度であるため、ここで発生
したキャリヤは大部分すぐに再結合して消失し元電流と
してはほとんど寄与しないので、特に表面部で吸収され
る短波長領域の光の景子効率（感度）が低くなるという
問題もちった。これはｎ＋ｐ　型に対しても全く同様の
ことが言える。

（ｄ）　発明の目的 本発明は上記問題点に鑑み、Ｐ　Ｉ　Ｎ　Ｔｌｔ漬の半
導体受光素子に於ける１％速応答性及びｌｒ？ｉ′に短
波長領域の元に対する感度の改善を目的とする。

（ｅ）　発明のシ成 イアスを付与する電極に抵抗性接続されたー導電型半導
体赤一体のダ′光面に、佃方の電極にＪｊ（抗性接続さ
れた反対導電型拡散領域がにｌｉ’ｌ目状に配設されて
をることを特徴とする。

（ｆ）　発明の実施例 以下、本発明を実１１Ｏ篩１１についてし１を用い−Ｕ
ｆＱ明する。

第２図は本発明の一実施例を示すＳｉ受光素子の模式上
１１ｉ１図（イ）及びそのＡ−Ａ矢祝肋面ＩＹシＩ　ｆ
口）、第３図は拡散領域パターンの一実施例を示す上面
図、第４図は同拡散領域パターンを有するＳｉ受受索素
子周波数応答特性図、第５図は受光素子内での元の吸収
特性図で、第６図は前記拡散領域パターンｆｒ：４７す
るＳｉ受光素子の弁子効率特性１；１１である。

本発明の構造を有する０、８〔μｍ〕帯の半導体受光素
子は、例えば第２図（イ）、（ロ）に示すように、０．
１〜０．００１［Ω−Ｃつ程度の低比抵抗を有し一方の
電極コンタクト層となるｎ生型Ｓｔ基板１１上に、例え
ば１〜５×１Ｏ′３〔ａｔｍ／ｃＡ〕程度の低不純物濃
度を有する厚さ２０〜３０〔μｍ）８度のｎ−型Ｓｔエ
ピタキシャル層１２が配設さね、該エピタキシャル層１
２の上面部に例えば四角い窓を有し、例えば１０”−１
０２０（ａｔｒｎ／ｍ　：＋ｓ度の高不純物ｆＡ度で深
さ０．３〜０．７〔μｍ〕程度の網目状−型拡散領域１
３が配設される。ここでｈＩＩ記ｎ！Ｌ！１．Ｓｉエピ
タキシャル層１２はＰＩＮ構造の１層に相当し、その厚
さは取扱う光の波長によって決まる透過深さに対応して
決定される。上記のように０．８〔μｍ〕帯に於ては２
０〜３０〔μｍ）程度が適切である。なお機−能に際し
ては、該エピタキシャル層１２一杯に空乏層が広がるよ
う、ｐ＋＋拡散領域１３と該エピタキシャル層１２との
間の接合に例えば１０〜２゜〔ｖ）程度の逆バイアスが
印加される０又ｐ懺拡散領域１３の深さは浅ければ浅い
程この領域で吸収される９゛６の量が少なくて好ｌしい
が、ｆ９ｉ望の接合品質が得られる深さは必要である。

そして該綱目状ｐ生型拡散領域１３の周囲には該ｐ″型
拡散領」・ｋ１３を電極に接続するだめの枠状ｐ生型拡
散領域】４が該網目状領域１３と一体に形成される。

そして該素子上には前記枠秋ｐ十型拡敬領域１４げ厚さ
１〔μｍ〕程度の二酸化シリコン（：：　１０２　）等
の絶縁膜１６が形成込れ、前記開孔１５内に１．Ｌ　％
Ｓ　ｉ　０２又は窒化シリコン（ＳｉｓＮ４）等からな
る）−ンき２０００（Ａ）程度の反射防止膜１７が形成
される。

そして該反射防止膜１７の周辺部シζは前記枠状ｐ＋型
領領域４の上面を表出する枠状の１；１１孔１８（ｒ−
形成し、該開孔１８上に例え（弓ニアルミニウム（八ｐ
）等からなる上部電極１９が形成され、ｎ十型Ｓｉ基板
ＩＪの背面１に例えば金−シリコン等からなるＦ部′ｔ
よ極２０が形成されてなっている。

なお該構造に於てｐ＋志！Ｉ拡散領域１３及び１３と１
４の間隔即ち該ｐ十型拡散領域１３及び１３と】４によ
って画定表出されるｎ−型エピタキシャル層１２の各表
出領域の一辺長は、できるだけ大きいことが望ましい。

なぜならば、該エピタキシャル層１２は極めて低不純物
濃度であるため表面部に吸収される短波長の光によって
励起されたキャリヤの再結合が少なく、従って短波長領
域の量子効率が同上するからである。しかし応答速度の
面から見ると、ｐ＋型拡散領域１３及び１４の接合に所
定の逆バイアス（例えばＩＯＶ程度）全印加して機能せ
しめた際、該ｐ生型拡散領域１３及び１３と１４間の「
型エピタキシャル層１２全体に空乏層が広がっているこ
とが望ましく、そのために該ｐ生型拡散領域１４の間隔
はエピタキシャルＮ１２の厚さの２倍程度例えば５０〔
μｍ）程度に形ｆｙさｆＬる。

上記実施レリからも明らかなように、本発明の構造に於
てはｐ生型拡散領域の接合面積は従来に比べ小さくなる
ので、その接合容量は減少し、応答速度は早くなる。

次に応答速度（周技数特性）及び感度（ｔ量子効率）の
改善状態を他の一実施例を用い従来構造と比較しながら
説明する。

県３図（は該実施１′・すに用いた品ｒ！＞　Ｉ頴拡散
領１１材パターンを示したもので、図中１．３．１４は
ｐ＋型拡散領域、１２Ｓは「型エピタキシャル層表出領
域、１９は上部電極、ｔ工は受光素子チップ能ｌｌｊ’
］領域の一辺長でここではｉ（ｍ’３、Ｌ２は受光領域
の一辺長で９００　Ｃμｍ）、Ｗは上部電極幅で５０Ｃ
μｍ’）、ｔ３はｎ−型Ｓｔエピタキシャル＃表出領域
１２ｓの一辺長で５０〔μｍ〕、ｄは１］ＩＳ記１２ｓ
の間隔で４０〔μｍ〕、ｐは前記置２８の形成ピッチで
９０〔μｍ〕である。なおｐ生型拡散′町域１３，１４
の「朶さは帆３〔１ｌｒｎ〕とした。

上記の場合ｐ＋型拡１孜領域１４の総接合而私Ｓ１は（
１）式の剖鏝：により約ｏ、ｓ　ＯＣ訪２〕となる。

Ｓｌ　＝１”＝（０，０５”Ｘ９’）＝０．７９７５中
ＯＢ（ｍ　′）−−−’（１）なお従来構造の場合は上
記チップの全面にｐｌ型拡散領域が形ノ戊されるので接
合面ｈｌｔ　Ｓ　ｏは１〔憚りとなる。

これらの接合面積から接合は階段Ｊ〆合でろ乙として、
−［記（３）式によって接合容量をａｌりするとＳ。に
対応する従来オＲ造に於ては６．４６［ｐＦ］。

ＳＩに対応する実施例に於てはａｒＨｐＦ］となる。

ここで、ｑは単位電荷（１，６０Ｘ１０−’ＣＣ’）　
）、には比誘電率（Ｓ　ｉ　＝　１１．８　）、（６は
真空中の誘電率（８Ｂ５×１σ４〔Ｆ／（２）〕）、Ｎ
は低ｔ；４τ）（側の不純物改変（５Ｘ　１０　”（ａ
ｔｍ／　ａｌ　）　）、■は印加電圧（ＶＲ＝１０（Ｖ
）λＳは接合面積（Ｓｏ　＝　１　〔ｍす、　Ｓ、　−
０，ｓｏ　Ｃｐｓ’）　）である。

上記接合容量から下記（４）式を用いて遮断周波数ｆＣ
をめると従来のＳｏに対応する遮断周波数ｆｃ。

は４９０（：ＭＨｚ）であるのに対して、実施例Ｓｔに
対応するｆＣｔは６２（ＬＣＭＨｚ）に向上する。即ち
応答速度は２７〔チ〕程度早くなる〇 ｆＣ＝　２□０　・・・・・・・・・・・・・−・・・
・・・・・・・（４）ここでＲは負荷抵抗で５００とし
、Ｃはチップ特性を比較するため配線容量、パッケージ
容量等を除外し接合容量のみとした。

第４図は周波数応答・；テ性の改嘗、状態を図て示した
もので、図中Ａは実施例の１１７造に対応するカーブ、
Ｂは従来構造に対応するカーブでＪする。

一方受光素子内での光の吸収ｆｌ（０’）はｙ＝ｅ″ａ
１で表わされる。ここでαは物η、に’！？Ｆ有な）０
の吸収係数であり、特性の比較に用いるλ−０，６６（
ｎＪの）イ、に対してＳｉはα＝２７９６でめる。そし
て上記ｙの値をグラフ化したのがｗ　５　＋ｇ＋で、図
中０は受光素子の表面、ｘ（、は表面から０．７〔μｍ
〕の点でｐ＋型拡散領域の底面即ちｐｎ接合面、ｘｇＤ
は表面から３０〔μｍ〕の点でｎ−型エピタキシャル層
の底面を表わしている。

そして０〜ＸＯの間のｐ＋型拡散、！＋１吠及びＸ、。

以上のｎ＋３１ｙ、基板に於ては、その不純物ご度が高
いので光吸収によって発生しｆ（キャリヤの総−Ｃが再
結合で失われ出力に寄与しないものと仮定すると、受光
面金゛面に上記ｐ＋型拡散領域が形成されでいる従来４
Ｎ造に於ける量子効″ＩＫ、（η。）は（５）式によっ
て表わされる〇 そして該（５）式から従来構造に於ける量子効率η。

は８２．２　Ｃチ〕となる。

又〆型拡散領域が網目状に形成されている第４図に示し
た構造に於ては、受光面の面積に対するｐ＋型拡散領域
のカい部分の比率が＜　０．０５Ｘ　９　）５／ｑ２＝
０．２５となυ、ｎ″″型エピタキシャル層が表出して
いる部分とｐ＋型拡散領域が形成されている部分の面積
比率が０．２５　：　０．７５となる。従って該実施例
の構造に於ける量子効率（η、）は（６）式で表わされ
９、その値は８６．６４　Ｃ％　）となる。即ち量子効
率は約５チ改善される。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）なお上記
計算に於て反射防止膜は反射率０に理想化した。

第６図１−ｊ：量子効率（感度）の改善状態を表わした
グラフでＪ〉る。上記計η、に於ては総合的な骨子効果
の改善率が算出されるが、実際には実施例Ａのカーブに
示すように、従来構造のカーブＢに比べて受光面の表面
近傍で吸収される短波長く、９域のブＣに対する改善効
果が荷く大きく表われる。

上記実施例に於ては、いずれも受光面に形成される基体
と反対導電型の網目状旨ｉ％度拡散領域を正方形の窓を
有する網目状に形成したが、該網目状拡散領域の窓形状
は土日已に限らず、長方形若しくは円形等でちっても良
い。

又本発明の構造は上記実施例と全く逆の２Ｊ−一′屯型
にも通用でき、且つ有効である。

更に本発明はＧｅ成るいはＩｎＧａＡｓを用いる１、３
〔μｍ′３帝、ｔＳ［μｍ）帯の受光素子にも７ｆｑ’
効に適用し得る。

（ｇ）　Ａ明の効果 以上説明したように不発明Ｉ（よれば、半導体受光素子
の高速応答性及び受う“Ｃ感度、峙に短波−Ｊ５．領域
での受光感度の同上が図れる。

なお本発明の構造は、アバランシェ・フォトダイオード
（ＡＰＤ’Ｉにも有効に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体受光素子の上面［・４（イ）及び
断ｍｉ図（ロ）、笥２　Ｅｊ；ｌは本発明の半１１ヌ体
受光素子に於ける一実施例の上面図（イ）及びＡ−’Ａ
矢視トノｊ面図（ロ）、第３図砿拡散領域パターンに於
ける一実施例を示す上面図、第４図は同拡散領域パター
ンを有するシリコン受光素子の周波数応答特性図、第５
図は受光素子内での元の吸収特性図、第６図は前記拡散
領域パターンを有するＳｔ受光素子の量子効率（感度）
特性図でちる。 図に於て、１１はｎ＋型シリコン基板、１２はｎ−弗シ
リコンエピタキシャル層、１３はｐ十型拡散領域、１４
はｐ十型枠状拡散領域、１９は上Ｓ電極、２０は下部電
極、Ａは本発明の実施例の特性曲線、Ｂは従来構造の特
性曲線を示す。 代理人　弁理士　松　岡　宏四部ｑｖｘ−，＝”（）１
ｒ・＞：”ｊ： 冬ｌ町 奉？阻 察３　酊 用液歎　「ＭＨｚ」 峯ｙ　昭 ） θ　Ｚａ　Ｘ３０ −一−→　澤で（χ） ←ろ阻 ［乙］ ρ５　θ、ｌ　θ７　θ８　ｏ、７　／・θシ０（え）
１′““］

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 逆バイアスされたｐｎ接合を用いて光の検出を行う構造
   であって、該逆バイアスを付与する電枠に抵抗性接続さ
   れたー導短型半導体基体の受光面に、他方必電極に抵抗
   性接続された反対導電型拡散領域が網目状に配設されて
   なることを特徴とする半導体受光素子。