JPS61500396A

JPS61500396A - 改良型ｐ−ｉ−ｎ及びなだれフオトダイオ−ド

Info

Publication number: JPS61500396A
Application number: JP60500228A
Authority: JP
Inventors: チヤン，ギー‐クン; ハートマン，アドリアン　ラルフ; ロビンソン，マツクドナルド
Original assignee: アメリカンテレフオンアンドテレグラフカムパニ−
Priority date: 1983-11-10
Filing date: 1984-11-02
Publication date: 1986-03-06
Also published as: EP0142316A2; CA1233549A; US4616247A; EP0163720A1; EP0142316A3; WO1985002296A1

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】改良型ｐ−１−ｎ及びなだｎフォトダイオード技術分野本発明はフォトダイオード、特にｐ−１−ｎ　Ｍのｎ−ｒ、−ｐシリコンフォトダイオード及びｎ　＝ｐ　−ｔ　−ｐシリコンなだれフォトダイオードに係る。

本発明の背景米国特許第４．１２７．９３２号の第３図に示されているフォトダイオードの共通の一つの型は、７ノードとして働である。短い応答時間を有する高速動作を実現するために、比較的厚いエピタキシャル層とエピタキシャル層を空乏化するのに十分大きな逆バイアスを有することが望ましい。そうすることによシ、本質的にすべての光誘起電子が、エピタキシャルノー中の電子−正孔対となシ、電子は相対的に高速でエピタキシャル層を出、カソードに入り、正孔は相対的に遅くエピタキシャル層を出て、７ノード基板に入る。基板に到達し次光に工り誘発された電子は、それらが比較的速くカソードに動く前に、最初は比較的ゆっくり、エピタキシャル層中に拡散しなければならない。フォトダイオードのこの型は、典型的な場會エピタキシャル層を本質的に完全に空乏化するのに十分な大きさの逆バイアスで動作する。応答時間を改善するようエピタキシャル層の厚さが増すにつれ、必要な印加逆バイアス電圧はエピタキシャル層の厚さの２乗で増加する。

このことは多くの用途で、ｐ−１−ｎダイオードの場合、典型的には３０ボルトか七へ以上の逆バイアス電圧を必要とする。今日のフォトダイオードの多くは、・５ボルトの供給電圧を使用する固体集積回路とともに動作する。独立に３０ボルトを供給する必要があると、系全体に余分の負担を強いることになり、フォトダイオードとともに使用さｎるニジ低電圧の集積回路が故障する可能性が増し、従って望ましくない。フォトダイオードのもう一つの問題（ハ、光を照射しない時の逆バイアス漏れ電流、すなわち“暗電流“が動作範囲を制限することである。

典型的な場合、５ボルトかそれ以下の供給電圧で動作し、比較的短い応答時間が連数でき、比較的小さな暗電流を有するシリコンｐ−１−ｎフォトダイオードをもつことが望ましい。また、１００ボルト範囲で動作でき、短い応答時間で高速動作が可能で、比較的小さな暗電流を有するシリコンなだれフォトダイオードをもつことも望ま板中に発生したゆっくり拡散する少数キャリヤが、空乏層に到達するのを制限し、それにより基板中で発生する少数キャリヤを増すことなく、エピタキシャル層を、はるかに薄くすることができる・図面の簡単な説明第１図は本発明の一実施例に従う半導体フォトダイオード構造の断面図、第２図は本発明の別の実施例’、Ｃ従う半導体フォトダイオード構造の断面図でちる。

詳細な記述第１図を参照すると、本発明の一実施例に従う半導体フォトダイオード構造１０が描かれている。フォトダイオード１０は一伝導形を有し、比較的高不純物濃度（高ドープ）の半導体基板１２、−伝導形を有し、基板１２より高不純物濃度の深い埋込み半導体層１４（少数キャリヤ“キラ一層“と呼んでもよい）、−伝導形を有し、比較的低不純物濃度（低ドープ）のエピタキシャル層１６、相対する伝導形を有し、比較的高不純物濃度の半導体領域１８を含む。半導体領域２４は領域１８を囲み、エピタキシャル層１６の一部分により、それから分離さ　・れている。別々の電極２２．２６及び２８は、それぞれ領域１８、領域２４及び基板１２に、電気的に結合されている。領域２４及び１８の一部と層１６は、フォトダイオード１０の共通の最上表面２０をもつ。領域１８の部分上の表面２０の一部上（て、反射防止層３０が存在す誘電体１３４が存在する。光３２は層３０上に入射するように描かれている。

一実施例ておいて、基板１２、層１４、層１６、領域１８及び領域２４ｆ’ｔ、そｎぞれｐ”％　Ｐ”％　”″、ｐ′形シリコンで、層３０はシリコン窒化物である。電極２２．２６及び２８はアルミニウムである。領域２４は長方形で、保！！環として働く。領域１８は長方形で、カソードとして働き、基板１２は７ノードとして働く。フォトダイオード１０は典型的な場合、カソード領域１８を７）−ド基板１２ニジ正電圧に保って、逆バイアスで動作する。

領域のそれぞれの伝導形は逆にすることができ、領域１８及び基板１２はそれぞれ７ノード及びカソードとなる。

本質的に透明な層３０上の入射光３２が到達し、領域１８、層１４及び１６及び基板１２中に荷電キャリヤを発生させ、それにニジフォトダイオード１０中疋光誘導電流を発生させる。層１６の本質的な部分は、印加され九逆バイアスにニジ、領域１８下で空乏化する。領域１８中で発生した電子は、電極２２を通って電圧源へ、あるいは図示されていない回路を通して、急速に放電される。層１６中で発生し几電子は、空乏化し念エピタキシャル層１６を通って急速に移動し、カソード１８を高速で通過し、電極２２１に通って外に出る。層１４中で発生した電子は、非常に短い寿命をもち、従ってこれらの電子のほとんどがエピタキシャル層１６又は電極２２に到達しないほど、非常に高速で正孔と再結合する。基板１２中で発生した電子は、Ｉｊｉｍ１４の高不純物濃度によって発生した電界てよシ反発され、従って層１６又は電極２２には到達しない。層１４及び１６中及び基板１２中で発生した正孔は、高速で電極２８に移動し、構造１０から回路又は電極２８に結曾さｎた電源（回路、電源とも図示されていない）に出る。領域１８の中央部分は、正孔がそこではほとんど再結合しない工うに、故意に薄く保っである。Ｉ脅１４の直接の結果として、層１４及び基板１２中で発生し九本質的にすべての電子が再Ｍ曾し、応答時間を遅くしない九め、フォトダイオード１０の応答時間は、比較的速い。筐た、層１４の存在にニジ、層１６はたとえば従来技術の３０ミクロンの代シに１０ミクロンと薄くできる。層１６が薄いほど、基板１２中への光の浸透は大きくなり、その中での電子の発生が多くなって、層１４の存在て工９（すぐ上で述べた工うに）、この多くの電子がデバイスの応答時間を遅くしないことに起因している。ニジ薄い層１６を用いることにより、しばしば望まれるように、低バイアス電圧の使用が可能になる。層１６が薄くなるにつれ、その中でのエネルギーの捕獲が小さくなシ、その中での光誘導電流の発生が小さくなる九め、デバイスの感度はちる程度失われるが、本発明のデバイスの有用性を著しく損うほどではない。

フォトダイオード１０に光が照射されていないときの（暗電流として却らｎる）逆バイアス漏れは、層１４がその中及び基板１２中で熱的に発生した少数キャリヤを再結合させ）それによシそれらがカソード電極２２に到達しないため）著しく減少する。加えて、層１４及び基板１２の境界における電界が、電子を基板中に反発して戻シ）従って層１６に到達する電子の数を制限する。測定すれ友暗電流は、層１４を用いない時に比べ、用いた時には大きさが１桁以上低かつ友。２５℃で測定された暗電流は）層１４が存在するときは２０ピコアンペアより小さく為層１４が存在しないときは３０００ピコアンペアである。７０℃における対応する数値はそｎぞｎ　１００ピコアンペア及び１００，０００ピコアンペアである。

デバイス１０の一用途では、光信号３２’！ｉ−得るために、０、８２５ミクロンの波長のレーザを用いた。照射した光信号３２のパルス幅は、１８ナノ秒である。光信号３２０１０パーセントから９０パーセントまでの立上シ及び立下り時間１ハ、約０．５ナノ秒である。全感光領域が１．１平方ミリメートルｔ−Ｖするフォトダイオード１ｏにそれに逆バイアスを印加した時（電極２８’ｉ−４ボルトの電源に接続し、電極２２は接地電位に接続する）、フォトダイオード１０中に導入された光電流の１０パーセントから９０パーセントの立上り及び立下り時間は、ともに約４ナノ秒でちる。３ｏボルトの逆バイアスを印加した時、立上シ及び立下り時間は、それぞれ約２秒である。

もしフォトダイオード１０ｉ、層１４なし１で製作するならば、４ボルトの逆バイアス電圧を印加した時、立上シ及び立下シ時間は、ともに約１６ナノ秒以上である。

３０ボルトの逆バイアスを印加した時、層１４が存在しない場合、立上シ及び立下９時間は七れぞ３２ナノ秒でちる。

多くの光フアイバ通信において、フォトダイオード１０の感光領域は製作し次デバイスの１．１平方ミリメートルニジ、１ないし２桁小さくすることができる。

フォトダイオードの全面積も、対応して減少する。このはるかに小さなデバイスは、１ナノ秒程度の立上り及び立下シ時間をもつことが予想さｎる。

第２図を参照すると、なだれ型フォトダイオード１００が示されておシ、そｎは第１図のフォトダイオード１０と非常に似ているが、一実施例ではｐ形伝導形の半導体領域３６を余分にもつことが異る。フォトダイオード１００のすべての領域、層、電極、表面及び基板は、第１図のフォトダイオード１０のそれらとは同様であり、最後に“０″をつけ加えて、同じ参照数字をもつ。

フォトダイオード１００の埋込み層１４０は応答時間を改善し、暗電流を著しく減し、第１図のフォトダイオい逆バイアス電位を可能にする。フォトダイオード１０は典型的な場合、なだれ降伏電圧付近の逆バイアスで動作し、動作電位は１００ボルト程度でちる。

他の構成も可能である。たとえば、層１４及び１４０は基板１２又は１２０中で発生した少数キャリヤを再結合させる他の再結合中心機構で置き代えることができる。

結晶構造的欠陥も特に不純物がそれに集った時、再結合中心として働く。領域１６及び１６０と基板１２及び１２０との各境界におけるミスフィツト転位や積層欠陥のような高密度の欠陥も、少数キャリヤの所望の再結合中心として働く。ミスフィツト転位は原子半径がシリコンのそれとは異るドーパントの高濃度拡散により生じる。

それぞれ領域１６及び１６０と基板１２及び１２０間に用いられるゲルマニウム −ドープシリコン層は、所望のミスフィツト転位を発生しうる。電極２８及び２８０はｐ１形、：≦、１領域（図示さｎていない）を通して、最上表面２０及び２θ０と接触する電極に接続できる。用途に１つでは、逆バイアス電位は電極２６及び２６０に印加できる。電極２６及び２６０はそれぞれ電極２８及び２８０に、直接結会できる。領域１８．２４．１８０゜２４０は環状にできる。本発明を適用したフォトダイオードｆ’ｔ、Ｇｅ、　［１−■化曾物、三元及び四元材料及びヘテロ接会のような材料で製作できる。保ｉｉ！Ｉｉ猿は笑際にはカソード領域と接触させられる。エピタキシャル層の厚さは、異なる光の波長及び異なる材料に゛合わせて、変えることができる。

ＦＩＧ、　／／７に、　ｚ国　藻　謹　薯　餠　失＆＋＋＋−１１−ｅｗｌＡ＃ｅｉｉｍｌＩ＊ｌｎ、ｐｃ７／ｐ５８４１０１７６１Ａ−ＮＮＥＸ　Ｔｏ　’ｒ＝＆　！ＮＴＥＲ，ＮＡ、Ｔｌ０ＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　Ｏ＋ｖ！ＮτＥＲ１ＪＡＴＩＯＮＡＬ　Ａ？？ＬＩＣｋ７１ＯＮ　Ｎｏ、　ＰＣＴ／ＩｊＳ　８４０ｎ７６１　（ＳＡ　８４０４）

Claims

【特許請求の範囲】１比較的高不純物濃度の第１の伝導形の半導体基体（１２）と、同じ伝導形で比較的低不純物濃度の第１の半導体層（１６）と、前記第１層とともに感光性半導体接合を形成する比較的高不純物濃度の、第１の伝導形とは反対の伝導形の第１の半導体領域（１８）とを有する半導体フオトダイオードにおいて、第１の伝導形とを有しかつ半導体基体より高不純物濃度を有する前記第１の半導体層と前記基体の間にはさまれた第２の半導体層（１４）を特徴とする半導体フオトダイオード２請求の範囲第１項に記載された半導体フオトダイオードにおいて、第１の半導体層（１６０）の不純物濃度より高い不純物濃度を有し、前記第１層の延長部を形成し、前記第１領域（１８０）とともに前記接合を形成する第１の伝導形の第２の半導体領域（第２図、３６）を特徴とする半導体フオトダイオード。