WO2010041756A1 - 光検出素子 - Google Patents

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WO2010041756A1 PCT/JP2009/067689 JP2009067689W WO2010041756A1 WO 2010041756 A1 WO2010041756 A1 WO 2010041756A1 JP 2009067689 W JP2009067689 W JP 2009067689W WO 2010041756 A1 WO2010041756 A1 WO 2010041756A1
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睦郎 小倉
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独立行政法人産業技術総合研究所
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Definitions

  • the present invention relates to an optical detection device (photodetector), particularly compound semiconductor photodiode relates to improvements in:: (h eterojunction bipolar p hoto t ransistor HPT) (PD p hoto d iode) and heterojunction bipolar phototransistor.
  • Photodetectors with sensitivity in the near-ultraviolet and infrared regions which cannot be used with silicon-based photodetectors, and photodetector arrays consisting of multiple one-dimensional or two-dimensional arrays are used for optical communications and spectroscopy systems.
  • a photodiode composed of a semiconductor pn junction has a simple operation principle and excellent quantification. However, only one pair of electron-hole pairs is generated at most for each photon. There was a problem that detection limit was caused by the noise characteristics of the amplifier. Therefore, phototransistors having an amplifying action have been developed as compound semiconductor photo detectors.
  • the photodiode is still a two-terminal element and can be easily handled, and there are still many requests for a photodiode with excellent performance.
  • the performance of the photodiode is determined by the sensitivity wavelength band, the quantum efficiency that determines the photoexcitation current per photon, the dark current and response speed that determine the noise level, and the degree of isolation between adjacent elements when an array is assembled.
  • Various improvements have been made for each of them.
  • a pn junction is formed in advance by crystal growth, and then an element region is cut into an island shape by etching, and impurities are selectively doped from the surface of the n-type epitaxial layer on the cathode layer side.
  • planar structure which is added in the depth direction and is inverted to p-type to form an anode.
  • the mesa structure has the advantage of reducing the element structure and suppressing stray capacitance, and is suitable for high-speed response.
  • the leak current (dark current) at the pn junction exposed on the side surface of the island mesa structure is large. There's a problem.
  • the planar structure has an advantage that the surface leakage current is suppressed because the pn junction including the light absorption layer is not exposed to the surface, but there is a great disadvantage, for example, sufficient separation between adjacent elements when an array is assembled. Requires a lot of ingenuity and labor, and is often disadvantageous in the manufacturing process.
  • the crystal surface has a larger crystal defect density than the inside of the crystal, but when a light absorption layer having a narrow band gap is exposed and placed in a depletion state, surface generation / recombination current becomes significant. Therefore, if the impurity is diffused from the cap layer having a wide energy band gap and the pn junction that exposes the surface is made of a semiconductor having a wide energy band gap, dark current can be suppressed.
  • an epitaxial structure is prepared in which a semiconductor layer having a wide band gap is sandwiched between a light absorption layer having a narrow band gap and a mesa structure, as can be seen in Document 1 below.
  • HPT heterojunction bipolar phototransistor
  • a heterojunction bipolar phototransistor (HPT) which is an overwhelmingly advantageous active device for increasing the sensitivity of such a photodiode, is also an optical device.
  • avalanche photodiode having a multiplication effect of the current: as (APD a valanche p hoto d iode ) photodetector noise is less than, 1980s up to now, research is continuing.
  • the recombination current between the emitter and the base becomes conspicuous in a low illuminance region where the emitter current is low, and the current amplification factor at a low collector current is lowered.
  • the dark current generated in the reverse-biased base-collector junction drifts to the base region and is amplified, like the photo-induced current, causing noise and reducing the photodetection sensitivity. Therefore, in other words, it is important to suppress the recombination current between the emitter and the base and the generated current between the base and the collector in order to realize a high sensitivity HPT.
  • heterojunction bipolar transistors for the purpose of amplification of the electrical signal HBT: h eterojunction bipolar t ransistor
  • HBT h eterojunction bipolar t ransistor
  • references 4 and 5 disclose a technique for suppressing surface recombination of carriers by re-growing a high-resistance or thin p-type semiconductor on the side surface of the emitter-base region of the HBT formed in a ridge shape.
  • the regrowth layer is a semiconductor having a large energy band gap, a so-called buried structure is formed, so that a barrier can be formed against the movement of minority carriers to the surface.
  • the methods disclosed in these documents 4 and 5 cause oxidation and stoichiometry disturbance on the exposed side surface of the mesa structure formed by etching, so that crystal defects occur at the regrowth interface and surface recombination occurs.
  • Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 62-141769
  • Document 5 Japanese Patent Laid-Open No. 62-141770
  • the base layer is thin as disclosed in, for example, the following Document 6, external base resistance, that is, base
  • the frame rate is about 1 second that can be recognized by humans, and even if it is a moving image with an image sensor, the frame rate is about 1/30 seconds at most. It is said that it may be desirable to be able to integrate, and it is said that it is not necessary to consider the operation speed so much when dealing with high sensitivity for physicochemical measurements and night vision cameras.
  • the base carrier concentration is set to 10 19 cm ⁇ 3 , but the minority carrier recombination speed increases in the high concentration base region, and the transistor The low frequency characteristics are rather degraded.
  • the surface recombination effect is large on the surface of the device, it is effective to cover the device surface with a wide band gap semiconductor having a large energy band gap with a slow recombination speed.
  • the wide band gap semiconductor as the window, it is possible to suppress the electron-hole pair generated inside the narrow band gap semiconductor that is the light absorption layer from moving to the surface and recombining.
  • the design requirement is the thickness of InP.
  • the absorption coefficient for L and wavelength ⁇ must be ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ L ⁇ 1.
  • the conventional planar PIN photodiode described above and the mesa PIN photodiode structure disclosed in the above-mentioned document 1 such a concept for widening the band is not recognized, and the entire light receiving surface is covered. From there, Zn was selectively diffused through relatively thick n-InP.
  • the surface (light-receiving surface) on which Zn is diffused has a high Zn concentration, has many surface defects, and has a short minority carrier lifetime, the pn junction where photocarriers are generated is separated from the surface to realize a highly efficient photodiode. It is necessary.
  • deep diffusion also has the effect of relaxing the electric field concentration due to the shape by increasing the radius of curvature of the diffusion pattern and ensuring reverse breakdown voltage.
  • the formation of a thick Zn diffusion layer is effective for the surface conductivity. It is also desirable to ensure.
  • a processing time of at least about 10 minutes is required to ensure the reproducibility of the diffusion conditions. This is, for example, a diffusion depth of about 0.5 ⁇ m for InP and about 0.2 ⁇ m for InGaAs, and it is difficult to form a pn junction using InP thinner than that by the Zn diffusion method in the depth direction from the entire light receiving surface. It is.
  • the target wavelength region could not be extended to a sufficiently short wavelength side.
  • the position of the pn junction is about 0.3 ⁇ m in the depth direction, it is a dimension that cannot be said to be deep yet for the absorption target wavelength that is required recently.
  • the current increases by about two orders of magnitude compared to the planar PIN diode by Zn diffusion.
  • a heterostructure for ensuring high quantum efficiency and a wide wavelength spectrum is low in the case of an InP / InGaA PIN photodiode with a relatively long minority carrier lifetime under a thin P-type InP cap layer.
  • Concentration p-type InGaAs and n-type InGaAs layers may be formed, and the thickness of the p-type InGAs layer may be set within the sum of the minority carrier diffusion length and the depletion layer (about 1 ⁇ m).
  • This structure can be easily realized by a metal organic vapor phase method (MOCVD) or a molecular beam epitaxial method (MBE).
  • MOCVD metal organic vapor phase method
  • MBE molecular beam epitaxial method
  • the cause of dark current is a generated current caused by crystal defects, a thermal excitation current corresponding to the band gap, and an electric field induced current component such as an avalanche effect.
  • the dark current is viewed at the generation site of the photodetector, there are a bulk component generated inside the device and a surface component generated on the surface of the device.
  • the bulk component is mainly caused by a generation current caused by crystal defects and a thermal excitation current corresponding to the band gap.
  • the dark current resulting from the generation / recombination current and the ohmic leakage current depends on the manufacturing process. This leads to deterioration of element characteristics, variation in characteristics, and a decrease in manufacturing yield.
  • a punch-through phenomenon due to electric field concentration and a dark current due to an electric field induced avalanche effect are also affected. Since the crystal state on these surfaces is more easily affected by a material having a narrow band gap, the influence of dark current on the crystal surface becomes more conspicuous as the light detector has a longer wavelength band.
  • the present invention is based on the above-mentioned various findings, eliminates or alleviates the drawbacks of the above-mentioned conventional examples, and has a mesa structure that is structurally advantageous.
  • the PD is constructed from a compound semiconductor material.
  • an effective surface current blocking structure is constructed so as to provide a photodetecting element having a higher sensitivity and a wider wavelength band than various conventional elements.
  • the present invention first, when providing a PD as a light detecting element, A light absorption layer composed of a first semiconductor layer of a first conductivity type, an anode layer formed thereon and serving as a second semiconductor layer of a second conductivity type opposite in polarity to the first conductivity type, A first-conductivity-type wide gap buffer layer made of a semiconductor having a relatively wide gap compared to the first and second semiconductor layers, and a lower gap buffer layer provided under the semiconductor layer.
  • the first and second semiconductor layers in a stacked relationship have a mesa structure cut into an island shape by mesa etching, and have a photodiode structure in which the side surface of the mesa structure is an exposed side surface exposed to space;
  • the ring is converted to the semiconductor layer of the second conductivity type that is the same conductivity type as the second semiconductor layer by a predetermined lateral dimension from the exposed side surface of the mesa structure toward the inside of the element.
  • a diffusive diffusion region is provided;
  • a diffusion region of the second conductivity type is provided on the surface portion of the anode layer parallel to the main surface of the substrate and extending from the side surface toward the inside of the device by a predetermined lateral dimension;
  • a diffusion region of the second conductivity type is provided on the surface portion of the wide gap buffer layer parallel to the main surface of the substrate from the portion in contact with the mesa structure outward in the lateral direction and by a predetermined lateral dimension.
  • the present invention A collector layer composed of a first semiconductor layer of a first conductivity type, a base layer formed thereon and serving as a second semiconductor layer of a second conductivity type opposite in polarity to the first conductivity type, and a second semiconductor
  • a first-conductivity-type wide gap buffer layer made of a semiconductor having a relatively wide gap as compared with the semiconductor layer, and a substrate positioned under the wide gap buffer layer;
  • the first, second, and third semiconductor layers in the stacked relationship have a mesa structure cut out in an island shape by mesa etching, and the side surface of this mesa structure is an exposed side surface exposed to the space.
  • the ring When viewed in plan, the ring is converted to the semiconductor layer of the second conductivity type that is the same conductivity type as the second semiconductor layer by a predetermined lateral dimension from the exposed side surface of the mesa structure toward the inside of the element.
  • a diffusive diffusion region is provided;
  • a diffusion region of the second conductivity type is provided on the surface portion of the emitter layer parallel to the substrate main surface and extending from the side surface to the inside of the device by a predetermined lateral dimension;
  • a diffusion region of the second conductivity type is provided on the surface portion of the wide gap buffer layer parallel to the main surface of the substrate from the portion in contact with the mesa structure outward in the lateral direction and by a predetermined lateral dimension.
  • an emitter contact layer is provided on the emitter layer;
  • a portion extending along the periphery of the emitter contact layer in a plan view without touching the emitter contact layer is provided with an additional diffusion region that is closed in a ring shape in the circumferential direction and penetrates the emitter layer vertically.
  • photodetection element characterized by (The invention's effect)
  • the photodetecting element having a mesa structure constructed according to the present invention it is included in the mesa structure by providing a ring-shaped diffusion region regardless of whether it is constructed as a PD or an HPT.
  • the pn junction can be obtained with a structure substantially equivalent to that transferred to the inside of the device.
  • the pn junction can be formed on the exposed surface of the pn junction, or on the surface connected to the mesa structure. An effect equivalent to substantially eliminating crystal defects can be obtained.
  • the dopant is not diffused in the portion where the light is incident (since there is no diffusion region), so the thickness of the layer located above the light absorption layer is It can be made thinner without problems.
  • the photodetection element constructed according to the present invention can have higher sensitivity and wider bandwidth than those conventionally provided.
  • an effective transistor area can be reduced in an HPT provided with an additional diffusion region in the form of a ring that penetrates the emitter layer up and down, so that a large improvement in gain and frequency characteristics is expected. Can do.
  • FIG. 1A is a schematic configuration diagram of an HPT as a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • FIG. 2A is an explanatory diagram for explaining a problem in the conventional HPT.
  • FIG. 2B is an explanatory view showing an improved portion in the HPT produced according to the present invention.
  • FIG. 3 is a simulation characteristic diagram showing the relationship between collector current and photoexcitation current in an example of an HPT fabricated according to the present invention.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram comparing optical input and output current in an example of an HPT fabricated according to the present invention and an example of a conventional PD.
  • FIG. 5A is a schematic configuration diagram of an HPT in the second preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • FIG. 6A is a schematic configuration diagram of a PD as still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B
  • FIG. 1A is a plan view of the HPT
  • FIG. 1B is a plan view of the HPT
  • 1B is a cross-sectional end view taken along line BB in FIG.
  • a first semiconductor layer of a first conductivity type for example, an n-type compound semiconductor
  • a second conductivity type having a polarity opposite to that of the first conductivity type for example, a second semiconductor of a p-type compound semiconductor.
  • a base layer 4 to be a layer is laminated.
  • a first conductivity type made of a semiconductor having a relatively wide gap as compared with the base layer 4, that is, in this case, an n-type semiconductor emitter layer 3 is laminated as a third semiconductor layer.
  • An emitter electrode 1 is formed on the emitter layer 3 via a high-concentration emitter contact layer 2.
  • the collector layer 10 which is the first semiconductor layer
  • a wide gap buffer layer 11 made of an n-type which is the first conductivity type and which has a relatively wide gap as compared with the collector layer 10. This is formed on the substrate 12, and the collector electrode 13 is in contact with the back side of the substrate 12.
  • the collector layer 10, the base layer 4, and the emitter layer 3 that are in a laminated relationship in this order from the substrate side have a mesa structure 7 cut out in an island shape by mesa etching. It is an exposed side that is completely exposed to the space.
  • the emitter contact layer 2 on the emitter layer 3 is also cut out as a second mesa structure 5 having an area smaller than that of the main mesa structure 7 by mesa etching, and is located at the element center portion.
  • a semiconductor layer of the same conductivity type as that of the base layer 4, that is, a second conductivity type is used by a predetermined lateral dimension.
  • a converted diffusion region 6 is provided. For example, by thermally diffusing a dopant such as zinc (Zn), only the thickness portion (lateral diffusion size portion) having a predetermined dimension inward from the exposed side surface of the emitter layer 3 and the collector layer 10 is formed with the base layer 4.
  • the surface portion exposed above the emitter layer 3 and extending from the side surface toward the inside of the device also has the first diffused Zn diffused by a predetermined lateral dimension 31.
  • a surface portion of the buffer layer 11 located below the collector layer 10 and parallel to the main surface of the buffer layer 11 is also a two-conductivity type diffusion region 31.
  • the second conductive type diffusion region 32 in which the dopant Zn is diffused is formed by the horizontal dimension 32.
  • the pn junctions 46 and 47 on the element surface are both formed on a wide band gap semiconductor that is less affected by crystal defects.
  • the diffusion mask 9 made of an SiN film or the like having a predetermined opening pattern exposing the mesa structure 7.
  • the region portion 41 of the collector layer 10 located under the surface area portion between the p-type diffusion region 6 formed as described above and the mesa structure 5 in the emitter contact layer portion is light-transmitted. It becomes an absorption layer (photosensitive region) 41.
  • the Zn diffusion region 6 is provided on the entire circumference in the circumferential direction along the exposed side surface of the mesa structure 7, the Zn diffusion region 6 is formed in a ring shape when viewed in plan.
  • the cross section is taken in a plane parallel to the substrate 12 at any height position of the mesa structure 7, the ring-shaped diffusion region 6 is recognized there, and therefore this mesa structure is three-dimensionally.
  • a hollow cylindrical body is obtained. From this point of view, the diffusion region 32 formed in contact with the mesa structure 7 in the surface portion parallel to the substrate main surface of the buffer layer 11 located under the collector layer 10 is the lower end of the hollow cylindrical body.
  • the mesa structure 7 has a rectangular shape in plan, so that although it is a ring shape, it is not an annular ring shape but a rectangular ring shape.
  • the ring shape means a shape in which the side surface of the element is closed around the circumferential direction, and specifically includes a shape-limiting meaning such as a circular shape or a rectangular shape. is not.
  • the region portion in the collector layer 10 serving as a light absorption layer as a photodetector is not Zn diffused, unlike the conventional example recognized in the above-mentioned document 1.
  • the Zn diffusion region 6 is provided only on the side surface of the mesa structure 7 without being affected.
  • the diffusion region 6 as a configuration unique to the present invention can be called an SCB (Surface Current Block) region, which is abbreviated to both of the other diffusion regions 31 and 32, and any of the conventional elements can be referred to as this. Cannot accept the configuration.
  • the present invention it is possible to control the film thickness, composition, and doping profile at the nm level using the existing high-precision epitaxial growth technique by MOCVD or MBE. Further, as shown in FIGS. 2A and 2B, according to the present invention, an effect of sufficiently suppressing dark current can be expected according to the above structure. That is, when considering the conventional HPT structure in which the diffusion region 6 according to the present invention is not provided as shown in FIG. 2A, the exposed side surface of the mesa structure 7 in the HPT is obtained by reverse-biasing the collector layer. -It is depleted from the collector pn junction vicinity.
  • the crystal defect 42 generated on the exposed side surface of the mesa structure 7 is a crystal defect in a narrow band gap, so that it acts as an active minority carrier generation source in a depletion condition and becomes a cause of dark current generation.
  • the crystal defect 45 generated on the exposed side surface of the emitter-base junction is normally forward-biased, minority carriers are excessive, and the current amplification factor is increased by accelerating the minority carrier recombination effect. ⁇ is lowered.
  • the hole current generated by the light irradiation 44 is schematically shown by reference numeral 43 in FIGS. 2A and 2B for reference.
  • the HPT to which the present invention is applied that is, an HPT that can be called SCB-HPT because there is an SCB region as a unique configuration of the present invention, as shown in FIG.
  • the semiconductor layer is converted into a high-concentration single-conductivity type semiconductor layer by implantation of a predetermined dopant, the substantial pn junction portion moves into the device (inside the collector layer 10, the light absorption layer 41), and On the surface of the device, it is formed on the surface 46 of the emitter layer 3 having a wide band gap and on the surface 47 of the wide band gap buffer layer 11.
  • the emitter contact layer 2 is n-InGaAs (10 19 cm ⁇ 3 to 10 16 cm ⁇ 3 , 0.4 ⁇ m thickness)
  • the emitter layer 3 is n-InP (10 16 cm ⁇ 3 , 0.2 ⁇ m thickness)
  • the base layer 4 p-InGaAs is (2x10 17 cm -3, 0.1 ⁇ m thick)
  • the collector layer 10 is n-InGaAs (10 15 cm -3 , 1.5 ⁇ m thick
  • a buffer layer 11 is n-InP (5x10 15 cm -3 , 0.5 ⁇ m thickness).
  • the diameter of the second mesa structure 5 in the emitter contact layer portion is 4 ⁇ m, and the diameter of the mesa structure 7 is 24 ⁇ m.
  • the carrier lifetime in the semiconductor is 10 ⁇ 5 sec
  • the trap density at the semiconductor surface is 3 ⁇ 10 11 cm ⁇ 3
  • the carrier lifetime due to the semiconductor surface defect is 10 ⁇ 10 sec
  • the surface defect is a donor type.
  • the level was 0.35 eV from the conduction band.
  • the crystal defect parameters inside and on the surface of the crystal were set so as to reproduce the experimental values of dark current of InGaAs / InP-based planar and ridge PIN photodiodes. It is assumed that the p-type impurity is diffused from the opening of the diffusion mask 9, the surface concentration of the diffusion region 6 is 10 19 cm ⁇ 3 , the impurity profile in the depth direction is a Gaussian distribution, and the standard deviation is 2 0.5 ⁇ 0.2 ⁇ m. did. No electrode was attached to the base layer 4, the emitter electrode 1 was set to the ground potential, and 2 V was applied to the collector electrode 13. In FIG.
  • the solid line curve Sa is an HPT with an SCB region constructed in accordance with the present invention
  • the alternate long and short dash line curve Sb is a mesa-type HPT that does not undergo Zn diffusion but does not assume surface defect levels.
  • the dashed curve Sc is a case where a surface defect level that can be normally predicted in a mesa type HPT not subjected to Zn diffusion as in the conventional structure is assumed.
  • the collector current is constant at 25 ⁇ A and has no sensitivity until the photoexcitation current is about 0.1 pA, but when the photoexcitation current of the pA order is induced in the photosensitive layer 41, the collector current of the ⁇ A order increases. Has been detected.
  • the collector current is suppressed in the low illuminance region (that is, the region where the photoexcitation current is small), and the collector current increases rapidly after the photoexcitation current reaches the order of 100 pA. That is, it can be seen that the presence of traps on the semiconductor surface reduces the sensitivity to light by two orders of magnitude. As described with reference to FIG. 2A, this is caused by the fact that holes generated in the collector layer 10 that is also the light absorption layer 41 are drift-injected into the base layer 4 by light irradiation, and at that time when the illumination is low.
  • the surface portion 46 of the mesa structure 7 is also inverted by the diffusion region 6 to the p-type by a predetermined dimension portion 31 in FIG. As shown in FIG. 1, the photocurrent is converted from a photoexcitation current of the order of pA, which is roughly comparable to a structure not considering the trap on the semiconductor surface, to a collector current.
  • the pn junction made of the semiconductor material can be moved to the inside of the device, and the disappearance of holes on the exposed side of the base layer can be suppressed.
  • the mesa structure 7 is formed to a depth up to the InP buffer layer 11, the exposed side surface of the collector layer 10 and the surface portion 47 of the InP buffer layer 11, a predetermined dimension portion in FIG.
  • the diffusion region 6 is formed over 32 regions.
  • the exposed pn junction becomes InP with a large band gap, thereby reducing the influence of surface defects and reducing the crosstalk between elements when connecting a plurality of HPT elements on an array. .
  • FIG. 4 compares the sensitivity characteristics of an example of an HPT with an SCB region (SBC-HPT) fabricated according to the present invention with an example of a conventional photodiode (PD) of the same area.
  • white circles ( ⁇ ) indicate the case where the optical response of the HPT of the present invention is measured by DC
  • black circles ( ⁇ ) indicate the case where the optical response lock-in amplifier is measured
  • white squares ( ⁇ ) indicate the output of the conventional PD.
  • black squares ( ⁇ ) indicate the case of measurement with a lock-in amplifier.
  • the HPT of the present invention has an output 1,000 to 10,000 times higher than the PIN photodiode depending on the input light level.
  • the equivalent input noise converted by the photodetector light input intensity of the external amplifier becomes a value obtained by dividing the input conversion noise of the external amplifier by the gain of the HPT, so that the influence of noise by the external amplifier can be greatly reduced.
  • the PD when compared with a conventional PD having the same area, the PD has a detection limit of 1 pW in terms of the amount of incident light, whereas the HPT of the present invention has a detection limit of several tens of fW. In the normal measurement environment, it can be seen that the detection limit is improved by several tens of times.
  • the HPT constructed according to the present invention has 20 kA / W at a peak wavelength sensitivity of 1.5 ⁇ m and has succeeded in maintaining a sensitivity of 10 kA / W even at 0.4 ⁇ m. It can also be seen that a significant contribution can be made to construct a very sensitive photodetection system in the outer region.
  • 5A and 5B show the HPT in the second embodiment of the present invention. Parts that are not particularly described may have the same configuration as the HPT shown in FIG. 1, and therefore, the configuration added in the second embodiment will be mainly described. In this embodiment, the emitter contact layer 2 is necessary for the purpose of positioning the following additional diffusion region 20.
  • the top surface of the emitter contact layer 2 along the periphery of the emitter contact layer 2 as viewed in a plan view without touching the emitter contact layer 2 can be diffused by torpant diffusion through an opening opened in the mask 9.
  • An additional diffusion region 20 is provided which is closed in a ring shape in the circumferential direction.
  • the diffusion region 20 has the same conductivity type as the diffusion region 6 and penetrates the emitter layer 3 vertically. If only this diffusion region 20 is taken out, it will also be in the form of a hollow cylindrical body, but the emitter layer portion remaining in the interior will become an effective emitter region. By doing in this way, the gain and frequency characteristic as HPT can be improved.
  • the electron current injected from the emitter contact layer (eg, n + -InGaAs emitter contact layer) 2 into the intrinsic emitter layer (eg, n-InP intrinsic emitter layer) 3 is the second conductivity type (eg, p-type) described above.
  • the emitter electron current is blocked by the potential barrier formed by the emitter layer portion (for example, the InP diffusion region 20) converted into, and the emitter electron current is concentrated in the substantial emitter region that is the inner area portion surrounded by the ring-shaped diffusion region 20. Therefore, the effective transistor area is reduced and the electron current density is increased. By reducing the effective transistor area, the frequency response is improved.
  • FIGS. 6A and 6B show a preferred embodiment in which a PD is constructed according to the present invention.
  • FIG. 4A is a plan view
  • FIG. 4B is a cross-sectional end view taken along line BB in FIG.
  • a first conductivity type for example, a first semiconductor layer 10 of an n-type compound semiconductor is a light absorption layer 41 in this embodiment, and a second conductivity type having a polarity opposite to that of the first conductivity type is provided thereon.
  • an anode layer 4 serving as a second semiconductor layer of a p-type compound semiconductor is stacked.
  • a wide gap buffer layer made of a compound semiconductor having a first conductivity type, and in this case, an n type and a relatively wide gap as compared with the first semiconductor layer 10.
  • a cathode electrode 23 is in contact with the back side of the substrate 12.
  • the light absorption layer 10 and the anode layer 4 which are in a laminated relationship in order from the substrate side are in a mesa structure 7 cut out in an island shape by mesa etching. All are exposed sides exposed to the space.
  • An anode electrode 24 is formed in a ring shape on the surface of the anode layer 4 along the side surface. The definition of the phrase ring-shaped is as already described.
  • this PD also has the same conductivity type as the second semiconductor layer, that is, the anode layer 4 by using a predetermined dopant by a predetermined lateral dimension from the exposed side surface of the mesa structure 7 toward the inside of the device.
  • a ring-shaped diffusion region 6 is provided in a plan view, which is converted into a semiconductor layer.
  • a dopant such as Zn may be thermally diffused, and only a thickness portion (lateral diffusion dimension portion) having a predetermined dimension inward in the lateral direction from the exposed side surface of the light absorption layer 10 (41). It can be converted to a p-type semiconductor having the same conductivity type as the anode layer 4.
  • the surface portion of the anode layer 4 that is parallel to the main surface of the substrate and faces from the side surface to the inside of the device is also diffused with the dopant Zn by a predetermined lateral dimension 33.
  • the surface portion parallel to the substrate main surface of the buffer layer 11 located below the light absorption layer 41 which is the first semiconductor layer 10 is also laterally outward from the portion in contact with the mesa structure 7.
  • a diffusion region 32 of the second conductivity type in which the dopant Zn is diffused by a predetermined lateral dimension 32 is formed.
  • the pn junction on the element surface is formed on a wide band gap semiconductor that is less affected by crystal defects.
  • the surface p-InP layer can be made thin to make it sensitive to short-wavelength light.
  • the exposed side surface of the pn junction of the mesa structure composed of the n-InGaAs light absorption layer 41 (10) and the p-InP anode layer 4 is inverted into a p-type in a ring shape by Zn diffusion, Since the pn junction is moved to the inside of the element, the influence of the leakage current can be suppressed, and Zn is not diffused in the portion where the light is incident. Thinning is possible.
  • the absorption target wavelength can be efficiently absorbed and photoelectrically converted.
  • such a restriction is relieved greatly, and it is possible to set the thickness to approximately 100 to 200 nm or less at all, and it is possible to further increase the bandwidth without problems.
  • PDs are arranged in an array, in the case of a conventional planar type PD array, since the light absorption layer 41 is common to each array element, part of the photogenerated carriers generated in adjacent elements diffuses and flows in. Crosstalk between array elements becomes a problem.
  • the crosstalk can be secured at 20 dB or more, and the dark current is not inferior to the conventional planar type PD.
  • the mesa structure is formed in an island shape with a rectangular shape as shown in the figure, if the curvature of the corner is set to 3 to 5 ⁇ m, the corner It has been found that the electric field concentration effect in can be relaxed and effective.
  • the anode electrode 24 is formed on the surface of the anode layer 4 which is the second semiconductor layer 4 in the figure, but the diffusion on the wide band gap buffer layer 11 is p-type inverted by dopant diffusion according to the present invention. It can also be formed so as to contact the region 32.

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Abstract

　メサ構造光検出素子として、高感度、広帯域な光検出素子を提供する。　第一導電型の第一半導体層により構成される光吸収層10(41)と、その上に形成され、第一導電型とは逆極性の第二導電型の第二半導体層となるアノード層４と、光吸収層10の下に設けられ、第二半導体層に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る第一導電型のワイドギャップバッファ層11とをカソード層を兼ねる基板12上に形成し、第一、第二半導体層10，４をメサエッチングにより島状に切り出したメサ構造７とする。このメサ構造７の露呈側面から素子の内部に向かって所定の横方向寸法分だけ、第二半導体層４と同一導電型である第二導電型の半導体層に転換された、平面的に見るとリング状の拡散領域６を設ける。さらに、第二半導体層４の基板主面と平行な表面にあって側面から素子内部に向かう表面部分にも、所定の横方向寸法分33だけ、第二導電型の拡散領域33を設け、ワイドギャップバッファ層11の基板主面と平行な表面部分にも、メサ構造に接する部分から横方向外方向に向かい、所定の横方向寸法分32だけ、第二導電型の拡散領域32を設ける。

Description

光検出素子
　本発明は光検出素子（フォトディテクタ）に関し、特に化合物半導体系フォトダイオード（ＰＤ：ｐｈｏｔｏ　ｄｉｏｄｅ）及びヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ（ＨＰＴ：ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の改良に関する。
　シリコン系のフォトディテクタでは適用不可能な近紫外及び赤外領域に感度を有する化合物半導体系フォトディテクタや、それらを一次元ないし二次元に複数個並設して成るフォトディテクタアレイは、光通信や分光システム用検出器あるいは赤外線カメラとして、医療、防災、工業検査用途等に広範な需要がある。
　半導体ｐｎ接合から成るフォトダイオードは動作原理が簡単で定量性にも優れているが、フォトン一個に対して高々電子正孔対が一対しか生成されないため、微少光の検出時に電流出力が小さく、電気増幅器の雑音特性により検出限界が生ずる問題があった。そこで、化合物半導体系フォトディテクタとしても、内部に増幅作用を持つフォトトランジスタが開発されてはきた。しかし、それでもなお、フォトダイオードが二端子素子であって取り扱いも容易なこともあり、優秀な性能を持つフォトダイオードを求める声も今なお少なくない。
　フォトダイオードの性能は、感度波長帯域、フォトン一個当たりの光励起電流を決める量子効率、ノイズレベルを決める暗電流及び応答速度、そしてアレイを組んだ場合には隣接素子間のアイソレーション度合い等により決定され、それらそれぞれに関し、これまでにも様々な改良が重ねられてきた。
　フォトダイオードの構造には、あらかじめ結晶成長によりｐｎ接合を形成し、その後、素子領域をエッチングにより島状に切り出したメサ構造と、カソード層側となるｎ型エピタキシャル層の表面から選択的に不純物を深さ方向に添加し、そこをｐ型に反転させてアノードとするプレーナ構造とがある。メサ構造は素子構造を小さくし、浮遊容量を抑制できる利点があり、高速応答には適しているが、島状メサ構造の側面に露呈したｐｎ接合部分でのリーク電流（暗電流）が大きいという問題がある。一方、プレーナ構造は、光吸収層を含むｐｎ接合が表面に露呈しないため、表面リーク電流が抑制される利点があるが、欠点も大きく、例えばアレイを組んだ時の十分なる隣接素子間分離には工夫や手間を要し、製造工程的に不利になることも多い。
　一般に、結晶の表面は結晶内部に比べると結晶欠陥密度が大きいが、狭いバンドギャップを有する光吸収層が露呈し、空乏状態に置かれると、表面生成・再結合電流が顕著となる。そこで、広いエネルギバンドギャップのキャップ層から不純物を拡散し、表面露呈するｐｎ接合を広いエネルギバンドギャップを持つ半導体から構成すれば暗電流を抑制することができる。
　この知見に従い、メサ構造を有するフォトダイオードにおいても、下記文献１に認められるように、狭いバンドギャップを有する光吸収層を広いバンドギャップを有する半導体層が上下に挟むエピタキシャル構造を準備し、メサ構造を形成した後、メサ構造全体と、メサ構造下側の広いバンドギャップを有する半導体層を取り囲んで不純物を選択ドープすることで、暗電流を抑制しようとする工夫があった。
　文献１：米国特許第４，９０４，６０８号公報
　一方、量子効率及び感度波長帯域の改善にはｐｎ接合を表面から深さ方向の浅い位置に設けることが有効である。これは、光吸収層のバンドギャップよりも高いエネルギを持つ短波長光の場合、ｐｎ接合が深い位置にあると、表面で多くの光が吸収されるため、光励起された電子正孔対が光起電力を発生する空乏層まで到達し得ないからである。例えばメサ構造ではなくプレーナ型ＰＤではあるが、下記文献２では、Ｚｎ拡散の時間を短くして接合深さを０．３μｍ程度に留め、検出波長を０．７μｍまで短波長側に拡張する試みを開示している。一方、下記文献３ではＢｅイオンインプランテーションによって浅い位置にｐｎ接合を形成しているが、高エネルギイオン注入による結晶欠陥の生成により、暗電流は比較的大きくなってしまっている。
　文献２：“Ｗｉｄｅ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ　ＰＩＮ　Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｆｒｏｍ　０．７　ｔｏ　１．６μｍ”，Ｓｈｕｚｏ　Ｋａｇａｗａ他，Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　２８（１９８９）ｐｐ．１８４３−１８４６．
　文献３：米国特許第４，８８７，１３８号公報
　このようなフォトダイオードに対し、やはり高感度化のためには圧倒的に有利な能動デバイスであるヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ（ＨＰＴ）も、同じく光電流の増倍作用を有するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：ａｖａｌａｎｃｈｅ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）よりはノイズが少ないフォトディテクタとして、１９８０年代から現在に至るまで、研究開発が継続している。しかし、ＨＰＴにおいては、エミッタ−ベース間の再結合電流はエミッタ電流の低い低照度領域で顕著になり、低いコレクタ電流における電流増幅率を低下させる。また、逆バイアスされたベース−コレクタ接合において発生する暗電流は、光誘起電流と同様、ベース領域にドリフト移動し、増幅されるので、ノイズの原因となり、光検出感度を低下させる。
　従って、換言すれば、エミッタ−ベース間の再結合電流とベース−コレクタ間の生成電流を抑制することが高感度ＨＰＴを実現するために重要であり、この中、エミッタ−ベース間の再結合電流の抑制に関しては、電気信号の増幅を目的とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に対して採られている改良手法を有効に援用できる。
　例えば、下記文献４，５では、リッジ形状に形成されたＨＢＴのエミッタ−ベース領域の側面に高抵抗あるいは薄いｐ型の半導体を再成長することにより、キャリアの表面再結合を抑制する技術が開示されている。特に、再成長層をエネルギバンドギャップの大きな半導体にすると、いわゆる埋め込み構造となるので、少数キャリアの表面への移動に対してバリアを形成することができる。ただし、これら文献４，５に開示された手法だけでは、エッチングにより形成したメサ構造の露呈側面に酸化やストイキオメトリの乱れが存在するので、再成長界面において結晶欠陥が発生し、表面再結合電流やオーミック性電流の生成要因となり、誘電体パシベーションよりは一般的に良好であるものの、必ずしも最良の結果を生じるとは言えない。
　文献４：特開昭６２−１４１７６９号公報
　文献５：特開昭６２−１４１７７０号公報
　その他にも、例えば下記文献６に開示されているように、ベース層は薄いので、外部ベース抵抗、すなわちベース電極から素子内部の真性ベース領域へのコンタクト抵抗を下げる目的で、エミッタ表面からベース層に到達するようにＺｎ拡散を行うという技術もあり、これは今ではクラフトベース構造と呼ばれ、周知である。このような構造によると、下記文献７にも述べられているように、リッジ側面に露呈したベース−エミッタ接合が素子の内部に移動するため、ベースの露呈側面でのキャリア再結合が抑制され、電流増幅率の改善が認められる。
　文献６：特開昭６１−２８０６６５号公報
　文献７：特開昭６２−１３９３５４号公報
　さらに、ＨＢＴではなく特にＨＰＴを構築する場合、微少光量におけるトランジスタ増幅作用を増強するには、下記文献８において、通常、感光層として狭いバンドギャップを有するベース領域を上方に露呈させる場合よりも、ワイドバンドキャップエミッタで表面（側面に直交し、基板主面と平行な面）を保護した方が、ベース領域表面での光生成電荷の再結合が抑制され、特性の改善が見られると報告されている。
　文献８：“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ−Ｔｅｒｍｉｎａｌ　Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ　Ｕｓｉｎｇ　ａｎｄ　ＩｎＧａＰ　Ｌａｙｅｒ　ｆｏｒ　Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ”，Ｓｈｉｎ−Ｗｅｉ　Ｔａｎ　他，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．２，ｐｐ．２０４−２１０，Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２００５．
　下記文献９に認められるように、ベースキャリア濃度を低減し、ベース領域を空乏化したパンチスルーＨＰＴと呼ばれる構造も提案されており、通常のＨＰＴモードの十倍程度の感度が得られている。これは、ベースバイアス電流無しにエミッタアイドリング電流を確保することにより、エミッタ−ベース間の再結合電流の影響を軽減できることや、エミッタ−ベース、ベース−コレクタ接合容量が低減するために、少ない光生成電荷によりベースポテンシャルが変化し得ることによっている。
　文献９：“Ｈｉｇｈｔ　ｇａｉｎ　ａｎｄ　ｗｉｄｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒａｎｇｅ　ｐｕｃｈｔｈｒｏｕｇｈ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”，Ｙ．Ｗａｎｇ　他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７４（１１）ｐｐ．６９８７−６９８１，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９９３．
　一方、下記文献１０では別な観点からの議論がなされている。すなわち、単体や一次元アレイによる物理計測では、人間が認識できる１秒程度、撮像素子では動画像の場合でも高々１／３０秒程度のフレームレイトなので、むしろ数ｍｓｅｃから数秒に渡って光信号を積分できる方が望ましい場合があると述べ、理化学計測や暗視カメラ用の高感度化に対する対応に関しては、動作速度を余り考慮する必要がないとしている。ＨＢＴでは周波数特性を向上させるため、ベース抵抗の低減が重要であり、通常、ベースキャリア濃度は１０１９ｃｍ−３台に設定するが、高濃度ベース領域において少数キャリア再結合速度が増加し、トランジスタの低周波特性はむしろ劣化する。このように、通常のＨＢＴでは高周波特性が最重要課題となり、ベース層を薄く、かつキャリア濃度を高く設定し、ベース抵抗を軽減する所、高感度光ディテクタアレイ用ＨＰＴにおいては、結晶品質上有利な１０１７ｃｍ−３台のベース濃度が有効であるとの主張には正しい面がある。
　文献１０：米国特許第７，０６７，８５３号公報
　一般にバンドギャップよりも短い波長の光に対して応答を得るためには、できるだけ浅い深さ位置にｐｎ接合を形成する必要がある。これは、ｐｎ接合から少数キャリア拡散長以内に光を到達させ、電子正孔対を生成させるためである。また、素子の表面においては表面再結合効果が大きいため、素子表面を再結合速度の遅い大きなエネルギバンドギャップを有するワイドバンドギャップ半導体で覆うことが有効である。ワイドバンドギャップ半導体を窓とすることにより、光吸収層であるナロウバンドギャップ半導体内部で生成された電子正孔対が表面に移動して再結合することを抑制することができる。
　例えば、ワイドバンドギャップ半導体としてＩｎＰを、ナロウバンドキャップ半導体としてＩｎＧａＡｓを用いたヘテロ接合を考え、短波長光がＩｎＰを通しＩｎＧａＡｓまで到達する割合を見積もると、設計要件としては、ＩｎＰの厚さをＬ、波長λに対する吸収係数をα（λ）として、αＬ＜１とする必要がある。従って、例えばＩｎＰの０．６μｍにおける光吸収係数は６．４２ｘ１０４ｃｍ−１であるのでαＬ＝１となる厚さは１５６ｎｍとなり、０．５μｍにおいては光吸収係数１．０９ｘ１０５ｃｍ−１であるのでαＬ＝１となる厚さは９２ｎｍ，同様に０．４μｍでは１８ｎｍとなる。
　ところが、既述した従来のプレーナ型ＰＩＮフォトダイオードや、既掲の文献１にて開示されたメサ型ＰＩＮフォトダイオード構造では、このような広帯域化についての考えは認められず、受光面全面に亘り、そこから比較的厚いｎ−ＩｎＰを通してＺｎを選択拡散していた。Ｚｎ拡散を行った表面（受光面）は高Ｚｎ濃度で、かつ表面欠陥が多く、少数キャリア寿命が短いため、高効率フォトダイオードを実現するには光キャリアが生成されるｐｎ接合を表面から離す必要があるからである。確かに、深く拡散することはまた、拡散パタンの曲率半径を大きくして形状による電界集中を緩和し、逆方向耐圧電圧を確保する効果もあり、厚いＺｎ拡散層の形成は表面の電気伝導率を確保するにも望ましい。さらに、拡散に伴う結晶欠陥の発生を抑制しつつ、Ｚｎ拡散条件の再現性を確保するためには、比較的高温（５００~６００℃）で拡散処理を行う必要があり、試料の昇温時間を勘案して拡散条件の再現性を確保するには、少なくとも１０分間程度の処理時間が必要となる。これは例えばＩｎＰでは０．５μｍ程度、ＩｎＧａＡｓでは０．２μｍ程度の拡散深さとなり、これ以上薄いＩｎＰを用いてのｐｎ接合の形成は、受光面全面から深さ方向へのＺｎ拡散法では困難である。薄いとＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓヘテロ界面においてＺｎが蓄積する効果も認められ、下記文献１１にも認められるように、精密なドーピング濃度プロファイルの制御は困難となる。
　文献１１：“Ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｚｉｎｃ　ｉｎ　ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｄｕｒｉｎｇ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ”，Ｆ．Ｄｉｌｄｅｙ　他，Ｊａｐａｎｉｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．５（１９９０）ｐｐ．８１０−８１２．
　換言すると、従前のプレーナ型ＰＤや既掲の文献１に開示されたＰＤにおいては、そもそも極力浅い深さ位置にｐｎ接合を設けるとの思想は全くないか、そうすることが困難であったため、当然、対象となる波長領域も十分なる短波長側にまで拡張し得なかった。既掲の文献２においてはｐｎ接合の位置を深さ方向に０．３μｍ程度にしたとは言うが、昨今要求される吸収対象波長に対しては未だ深いとは言えない寸法である。既掲の文献３に認められるように、Ｂｅのイオン注入により、浅い深さ位置でのＰＮ接合を形成しようとすると、既に述べた通り、注入に伴って生成される結晶欠陥の影響により、リーク電流はＺｎ拡散によるプレーナ型ＰＩＮダイオードよりは２桁程度も増加してしまう。
　一般的な議論としては、高い量子効率と広い波長スペクトラを確保するためのヘテロ構造は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡ系ＰＩＮフォトダイオードの場合、薄いＰ型ＩｎＰキャップ層の下に少数キャリア寿命の比較的長い低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓとｎ型ＩｎＧａＡｓ層を形成し、ｐ型ＩｎＧＡｓ層の膜厚を少数キャリア拡散長および空乏層の和（１μｍ程度）以内に設定すれば良い。この構造は、有機金属気相法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）により容易に実現できる。この場合、ｐｎ接合はウェファ全面に主面と平行に形成されているため、メサエッチングで表面のｐ層を物理的に取り除き、素子分離を行う必要がある。ＰＤではなくＨＰＴの場合は、ｐ型ナロウバンドギャップ半導体からなるベース層を、ｎ型ワイドバンドギャップ半導体からなるエミッタ層と光吸収層となるコレクタ層で覆った構造をエピタキシャル成長で形成した後、メサエッチングにより、素子分離が必要となる。しかし、このように、素子分離自体は比較的簡単になし得ても、メサエッチング後、切り出されたメサ構造の露呈側面にはｐｎ接合の側面部分が露呈するので、このままではリーク電流増加の原因となる。これは解決せねばならない。
　また、一般に暗電流の要因は、結晶欠陥に起因する生成電流とバンドギャップに対応した熱励起電流、アバランシェ効果などの電界誘起電流成分である。暗電流を光ディテクタの発生部位で見ると、素子内部で発生するバルク成分と素子の表面で発生する表面成分が存在する。バルク成分は、結晶欠陥に起因する生成電流とバンドギャップに対応した熱励起電流が主要因である。従って、用いる材料の物性、結晶性のみで一意的に決定されるため、その制御は困難である。これまでは一般に結晶性の向上に加え、光ディテクタを冷却する等の使用環境を制御することで暗電流の抑制を図ってきた。
　一方、半導体の表面に関わる成分は、表面における生成・再結合電流とオーミック性の漏れ電流に起因する。上述したＨＰＴ構造や既存の光ＦＥＴ構造のように、半導体材料が側面においても露呈するメサ構造を有する素子では、結晶のエッチング技術、パッシベーション技術等の製造プロセスで結晶表面状態が大きく影響を受け、換言すれば生成・再結合電流とオーミック性の漏れ電流に起因する暗電流が製造プロセスに依存してしまう。これは素子特性の劣化、特性のバラツキ、ひいては製造歩留りの低下を招く。
　また、素子構造中に鋭角部分が存在する場合、電界の集中に伴うパンチスルー現象や、電界誘起アバランシェ効果による暗電流も影響して来る。これら表面での結晶状態は、バンドギャップの狭い材料の方が影響を受けやすいため、長波長帯の光ディテクタ程、結晶表面における暗電流の影響が顕著となる。
　周知のＳＲＨ（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅａｄ−Ｈａｌｌ）統計によれば明らかなように、電子及び正孔濃度の積が熱平衡状態のそれよりも小さい場合には電子・正孔対が発生し、大きい場合には電子・正孔対が再結合する。また、空乏状態の場合、真性キャリア濃度ｎｉが大きいバンドギャップの狭い半導体の方が、キャリア生成速度は大きくなる。メサ構造のｐｎ接合の場合、空乏状態で、狭いエネルギバンドギャップ材料でしかも露呈した素子側面部分における表面欠陥により大部分の電子・正孔対が発生する。この露呈側面部分で発生した正孔はアノードに導かれ、暗電流成分となる。ＨＰＴの場合は、空乏化されたコレクタ領域の露呈側面部分で暗電流が発生すると共に、ベース領域の側端面部分において正孔が消滅し、電流増幅率βを低下させる。
　また、既掲のパンチスルー型のＨＰＴを提供しようとする場合や、正孔をブロックしながら電子を円滑にコレクタ層に流すことで電流増幅率βを向上しようとすると、下記文献１２に認められるように、従前の手法に従う限り、エピタキシャル層でなければ実現できないような精密なバンドギャッププロファイルの制御が必要になったり、ベース層を比較的低いキャリア濃度とせねばならない。しかし、従前の不純物添加手法として一般に行われているＺｎ拡散やイオンインプランテーションでは、キャリア濃度のみならず、材料組成プロファイルを乱すおそれがある。
　文献１２：″Ｚｎ−Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｌｏｎｇ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｌａｓｅｒ″，Ｋ．Ｇｏｔｏ他．Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３（１９９４）ｐｐ．５７７４−５７７８
　本発明は上述の種々の知見に基づきながら、既掲の従来例群の持つ欠点を解消ないし緩和し、構造的に有利なメサ構造を有する光検出素子、特に化合物半導体系材料から構築されるＰＤもしくはＨＰＴにおいて、その露呈側面での光に依らない生成・再結合電流（暗電流）を抑制するため、従前の各種素子に認められたような不都合を伴うことなく、半導体結晶表面が電流経路とならぬように表面電流の有効な阻止構造を構築し、もってそうした従前の各種素子よりも高感度、広波長帯域な光検出素子を提供せんとするものである。
　本発明は上記目的を達成するため、まず、光検出素子としてＰＤを提供する場合には、それに適当なる構成として、
　第一導電型の第一半導体層により構成される光吸収層と、その上に形成され、第一導電型とは逆極性の第二導電型の第二半導体層となるアノード層と、第一半導体層の下に設けられ、これら第一、第二の半導体層に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る第一導電型のワイドギャップバッファ層と、このワイドギャップバッファ層の下にあってカソード層を兼ねる基板とを含み；
　積層関係にある第一、第二半導体層はメサエッチングにより島状に切り出されたメサ構造であって、このメサ構造の側面が空間に露呈した露呈側面となっているフォトダイオード構造を有し；
　当該メサ構造の露呈側面から素子の内部に向かって所定の横方向寸法分だけ、第二半導体層と同一導電型である上記第二導電型の半導体層に転換された、平面的に見るとリング状の拡散領域が設けられていると共に；
　アノード層の基板主面と平行な表面にあって側面から素子内部に向かう表面部分にも、所定の横方向寸法分だけ、第二導電型の拡散領域が設けられ；
　ワイドギャップバッファ層の基板主面と平行な表面部分にも、メサ構造に接する部分から横方向外方向に向かい、所定の横方向寸法分だけ、第二導電型の拡散領域が設けられていること；
　を特徴とする光検出素子を提案する。
　また、ＨＰＴを構築するに適当な構成として、本発明は、
　第一導電型の第一半導体層により構成されるコレクタ層と、その上に形成され、第一導電型とは逆極性の第二導電型の第二半導体層となるベース層と、第二半導体層の上に形成され、第二半導体層に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る第一導電型の第三半導体層によるエミッタ層と、第一半導体層の下に設けられ、第一半導体層に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る第一導電型のワイドギャップバッファ層と、このワイドギャップバッファ層の下に位置する基板とを含み；
　積層関係にある第一、第二、第三半導体層はメサエッチングにより島状に切り出されたメサ構造であって、このメサ構造の側面は空間に露呈した露呈側面となっているヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ構造を有し；
　当該メサ構造の露呈側面から素子の内部に向かって所定の横方向寸法分だけ、第二半導体層と同一導電型である上記第二導電型の半導体層に転換された、平面的に見るとリング状の拡散領域が設けられていると共に；
　エミッタ層の上記基板主面と平行な表面にあって側面から素子内部に向かう表面部分にも、所定の横方向寸法分だけ、第二導電型の拡散領域が設けられ；
　ワイドギャップバッファ層の基板主面と平行な表面部分にも、メサ構造に接する部分から横方向外方向に向かい、所定の横方向寸法分だけ、第二導電型の拡散領域が設けられていること；
　を特徴とする光検出素子も提案する。
　さらに、上記の構成に従うＨＰＴを構築する場合、本発明では特定の態様として、
　上記のエミッタ層の上にエミッタコンタクト層が設けられ；
　エミッタ層にあってこのエミッタコンタクト層に触れずに平面的に見てエミッタコンタクト層の周囲に沿う部分には、周方向にリング状に閉じ、エミッタ層を上下に貫く追加の拡散領域が設けられていること；
　を特徴とする光検出素子も提案する。
　（発明の効果）
　本発明に従って構築されるメサ構造を有する光検出素子では、それがＰＤとして構築される場合にもＨＰＴして構築される場合にも、リング状の拡散領域を設けることで、メサ構造中に含まれるｐｎ接合は実質的に素子内部に移行させたに等しい構造を得ることができ、換言すれば当該ｐｎ接合の露呈側面に生じ得る結晶欠陥や、メサ構造に連接する部分での表面に生じ得る結晶欠陥を実質的に消失させたに等しい効果を得ることができる。そのため、暗電流を極めて効果的に抑制できるに加え、光の入射してくる部分にはドーパントが拡散されていないため（拡散領域がないため）、光吸収層の上方に位置する層の厚みは問題なく薄くして行くことができる。このようなことが相俟って、本発明により構築される光検出素子は従来提供されていた素子に比し、より高感度、広帯域なものとすることができる。
　また、本発明の特定の態様に従い、エミッタ層を上下に貫くリング状の追加の拡散領域を設けたＨＰＴでは、実効トランジスタ面積を縮小させることができることから、利得及び周波数特性の大いなる向上を見込むことができる。
　図１（Ａ）は本発明の望ましい一実施形態としてのＨＰＴの概略構成図である。
　図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
　図２（Ａ）は従来のＨＰＴにおける不具合を説明する説明図である。
　図２（Ｂ）は本発明従い作製されたＨＰＴにおいての改良部分を示す説明図である。
　図３は本発明従い作製されたＨＰＴの一例におけるコレクタ電流と光励起電流との関係を示すシミュレーション特性図である。
　図４は本発明従い作製されたＨＰＴの一例と従来のＰＤの一例とにおける光入力と出力電流とを比較した特性図である。
　図５（Ａ）は本発明の望ましい第二の実施形態におけるＨＰＴの概略構成図である。
　図５（Ｂ）は図５（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
　図６（Ａ）は本発明のさらに他の一実施形態としてのＰＤの概略構成図である。
　図６（Ｂ）は図６（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
　以下、図１以降に即し本発明の望ましい実施形態につき説明して行くが、全図を通じ、同じ符号は同じか、または同様の構成要素を示している。従って本明細書中、各図に即しての個別的な説明の中でその図面に記載されている符号付きの構成要素に就き説明が無い場合でも、要すれば他の図面に関する説明の中でなされている同じ符号の構成要素に関する説明を援用することができる。
　本発明で改良の対象とする光検出素子はＰＤとＨＰＴであるが、ここでは先に、ＨＰＴに対し、本発明を適用した望ましい一実施形態に就き、図１（Ａ），（Ｂ）に即し説明を始める。図１（Ａ）は当該ＨＰＴの平面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面端面図である。まず、第一の導電型、例えばｎ型化合物半導体による第一半導体層としてのコレクタ層１０上に、第一導電型とは逆極性の第二の導電型、例えばｐ型化合物半導体による第二半導体層となるベース層４が積層されている。ベース層４上には、当該ベース層４に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る第一導電型、すなわちこの場合はｎ型半導体のエミッタ層３が第三の半導体層として積層形成されている。
　エミッタ層３の上部には高濃度のエミッタコンタクト層２を介してエミッタ電極１が形成されている。一方、第一半導体層であるコレクタ層１０の下には、第一導電型であるｎ型で、当該コレクタ層１０に比して相対的にワイドギャップな半導体から成るワイドギャップバッファ層１１があり、これは基板１２上に形成されていて、基板１２の裏側にコレクタ電極１３が接触している。
　基板側から上方に見て順に積層関係にあるコレクタ層１０，ベース層４、そしてエミッタ層３は、メサエッチングにより島状に切り出されたメサ構造７となっており、従ってその側面は、周方向に沿ってぐるりと全て空間に露呈した露呈側面となっている。エミッタ層３上のエミッタコンタクト層２は、やはりメサエッチングにより、主たるメサ構造７よりは小さな面積の第二のメサ構造５として切り出され、素子中心部分に位置している。
　本発明に従い、メサ構造７の露呈側面から素子の内部に向かっては、所定の横方向寸法分だけ、所定のドーパントを用いてベース層４と同一導電型、すなわち第二導電型の半導体層に転換された拡散領域６が設けられている。例えば、亜鉛（Ｚｎ）等のドーパントを熱拡散することで、エミッタ層３及びコレクタ層１０の露呈側面から横方向内方へ所定寸法の厚み部分（横方向拡散寸法部分）だけ、ベース層４と同一導電型、すなわち第二導電型であるｐ型半導体に転換することができる。また、基板主面と平行な平面においても、エミッタ層３の上方に露呈した表面にあって側面から素子内部に向かう表面部分も、所定の横方向寸法分３１だけ、ドーパントＺｎの拡散された第二導電型の拡散領域３１となっており、同様にコレクタ層１０の下に位置するバッファ層１１の基板主面と平行な表面部分も、メサ構造７に接する部分から横方向外方向に向かい所定の横方向寸法分３２だけ、ドーパントＺｎの拡散された第二導電型の拡散領域３２となっている。すなわち、こうすることで、素子表面におけるｐｎ接合４６，４７は、いずれも結晶欠陥の影響が小さいワイドバンドギャップ半導体上に形成されることになる。なお、このようにドーパントを拡散する際には、メサ構造７を露呈させた所定開口パタンを有するＳｉＮ膜等からなる拡散マスク９を用いて、拡散マスク９の内側まで拡散フロントを広げることが望ましい。
　本実施形態のＨＰＴでは、上述のようにして形成されたｐ型の拡散領域６とエミッタコンタクト層部分におけるメサ構造５との間の表面積部分の下に位置するコレクタ層１０の領域部分４１が光吸収層（感光領域）４１となる。また、Ｚｎ拡散領域６は、メサ構造７の露呈側面に沿って周方向全周に設けられることから、平面的に見るとリング状に形成されている。換言すれば、メサ構造７のどの高さ位置でも、基板１２と平行な平面で断面を採ると、そこにはリング状の拡散領域６が認められることになり、従って三次元的にこのメサ構造７の部分において拡散領域６だけを採りだして観察すると、中空筒状体となる。このような見方からすれば、コレクタ層１０の下に位置するバッファ層１１の基板主面と平行な表面部分にメサ構造７に接して形成された拡散領域３２は、この中空筒状体の下端から横方向外方にはみ出すように設けられたフランジのような形状であると言える。ただし、図１（Ａ）に明らかなように、この実施形態ではメサ構造７は平面的に矩形形状であるため、リング形状とは言っても円環のリング形状ではなく、矩形リング形状となっている。換言すれば、本発明でリング状とは、素子側面を周方向に沿ってぐるりと閉じた形状のことを言い、具体的に円形であるとか矩形であるとかの形状限定的な意味を含むものではない。
　いずれにしても、本発明に従うこの実施形態のＨＰＴでは、既掲の文献１に認められるような従来例とは異なり、フォトディテクタとしての光吸収層となるコレクタ層１０中の領域部分はＺｎ拡散の影響を受けず、メサ構造７の側面のみに、Ｚｎ拡散領域６が設けられている。本発明独自の構成としてのこの拡散領域６は、他の拡散領域３１，３２共々、略称すればＳＣＢ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｂｌｏｃｋ：表面電流阻止）領域と呼ぶことができ、従来のいずれの素子にもこの構成を認めることができない。そして、このような本発明の構成に従えば、既存のＭＯＣＶＤやＭＢＥによる高精度エピタキシャル成長技術を用いて、ｎｍレベルでの膜厚、組成及びドーピングプロファイルの制御が可能となる。
　また、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、上記の構造により、本発明によると暗電流の十分なる抑制効果を見込むことができる。すなわち、本発明による拡散領域６を設けていない従前のＨＰＴ構造を図２（Ａ）に示して考えてみると、ＨＰＴにおけるメサ構造７の露呈側面は、コレクタ層を逆バイアスすることで、ベース−コレクタｐｎ接合付近から空乏化している。そのため、メサ構造７の露呈側面に生成される結晶欠陥４２は狭いバンドギャップ中の結晶欠陥であるので、空乏条件においては活発な少数キャリア発生源として働き、暗電流の発生要因となる。一方、エミッタ−ベース接合の露呈側面に生成される結晶欠陥４５においては、通常、順方向にバイアスされているため、少数キャリアは過剰であり、少数キャリア再結合効果を加速することにより電流増幅率βを低下させる。なお、光照射４４により発生する正孔電流は、図２（Ａ），（Ｂ）中、参考のため、符号４３で模式的に示されている。
　これに対し、本発明の適用されたＨＰＴ、すなわち、本発明独自の構成としてＳＣＢ領域があることからＳＣＢ−ＨＰＴとも呼べるＨＰＴでは、図２（Ｂ）に示すように、ｐｎ接合の露呈側面は所定のドーパントの注入で高濃度の単一導電型の半導体層に転換されているため、実質的なｐｎ接合部分は素子内部（コレクタ層１０の内部，光吸収層４１）に移行し、また、素子表面では広いバンドギャップを有するエミッタ層３の表面４６、そしてワイドバンドギャップバッファ層１１の表面４７に形成される。高濃度のｐ型半導体層で覆われたメサ構造露呈側面においては、空乏層あるいは少数キャリア蓄積層は存在せず、熱平衡状態に近くなる。そのため、当該メサ構造７の露呈側面においての少数キャリア生成あるいは少数キャリア再結合は、例えそこに高濃度結晶欠陥が残存していても抑制され、実質的にそうした結晶欠陥が消失したに等しい効果を得ることができる。また、ドーパント導入後に真性エミッタの表面４６及びワイドバンドギャップバッファ層の表面４７に形成されたｐｎ接合は、ワイドバンドギャップの半導体層で形成されているために、既述したＳＲＨ統計においてｎｉが小さくなったことと等価となり、表面における暗電流が抑制される。
　図３には、本発明によりＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体材料を用いてＨＰＴを構築したとき、コレクタ電流と感光領域４１に生成する光励起電流との関係をシミュレーションした結果が示されている。エミッタコンタクト層２はｎ−ＩｎＧａＡｓ（１０１９ｃｍ−３~１０１６ｃｍ−３、０．４μｍ厚）、エミッタ層３はｎ−ＩｎＰ（１０１６ｃｍ−３、０．２μｍ厚）、ベース層４はｐ−ＩｎＧａＡｓ（２ｘ１０１７ｃｍ−３、０．１μｍ厚）、コレクタ層１０はｎ−ＩｎＧａＡｓ（１０１５ｃｍ−３、１．５μｍ厚）、バッファ層１１はｎ−ＩｎＰ（５ｘ１０１５ｃｍ−３、０．５μｍ厚）としている。エミッタコンタクト層部分の第二メサ構造５の直径は４μｍ、メサ構造７の直径は、２４μｍである。ちなみに、第二メサ構造５の寸法が小さい程、光の入射し得る面積は拡がること、当然である。
　また、半導体内部でのキャリアのライフタイムは１０−５ｓｅｃ、半導体表面でのトラップ密度は３ｘ１０１１ｃｍ−３、半導体表面欠陥によるのキャリアのライフタイムは１０−１０ｓｅｃ、表面欠陥はドナータイプとし、その準位は、コンダクションバンドから深さ０．３５ｅＶとした。結晶内部及び表面における結晶欠陥のパラメータは、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のプレーナ型およびリッジ型ＰＩＮフォトダイオードの暗電流の実験値を再現するように設定した。拡散マスク９の開口からｐ型不純物を拡散し、拡散領域６の表面濃度は１０１９ｃｍ−３、深さ方向の不純物プロファイルをガウス分布とし、その標準偏差を２０．５ｘ０．２μｍと仮定した。ベース層４には電極を付けず、エミッタ電極１を接地電位とし、コレクタ電極１３に２Ｖを印加した。
　図３中、実線の曲線Ｓａが本発明に従って構成されたＳＣＢ領域のあるＨＰＴ、一点鎖線の曲線Ｓｂは従来構造のままであるがＺｎ拡散を施さないメサ型ＨＰＴにおいて表面欠陥準位を仮定しない、ある意味で理想的な場合、破線の曲線Ｓｃは同じく従来構造のままのＺｎ拡散を施さないメサ型ＨＰＴにおいて通常予想し得る表面欠陥準位を仮定した場合である。比較的理想的な曲線Ｓｂでは光励起電流が０．１ｐＡ程度まではコレクタ電流は２５μＡで一定で感度が無いが、感光層４１においてｐＡオーダの光励起電流が誘起されるとμＡオーダのコレクタ電流が増分として検出されている。対して曲線Ｓｃでは低照度領域（すなわち光励起電流が小さい領域）ではコレクタ電流が抑制され、光励起電流が１００ｐＡオーダに達してからコレクタ電流が急激に増加している。つまり、半導体表面でのトラップが存在することで、光に対する感度が二桁も低下していることが分る。この原因は、図２（Ａ）に即して説明したように、光の照射により光吸収層４１でもあるコレクタ層１０で生成した正孔がベース層４にドリフト注入され、低照度時にはその際にベース層４中の正孔の殆どがメサ構造の表面部分４６において周辺から表面トラップを介して供給される電子と再結合して消滅してしまい、光生成した正孔がベース電位の上昇に寄与しないためである。
　一方、本発明に従い露呈側面からＺｎをドープするに伴い、当該拡散領域６によりメサ構造７の表面部分４６も図１（Ｂ）中の所定寸法部分３１だけｐ型に反転させることで、曲線Ｓａで示すように、半導体表面のトラップを考慮しない構造に略々匹敵するｐＡオーダの光励起電流からコレクタ電流に変換されている。これは、Ｚｎ拡散により、ｐｎ接合が素子内部に移動した結果、エミッタ電極１に対してコレクタ電極１２を正にバイアスしても、コレクタ層１０の露呈側面での結晶欠陥４２や、ベース層４の露呈側面における結晶欠陥４５の周辺においても略々熱平衡状態が維持され、キャリアの蓄積や空乏状態が形成されないようになったからである。すなわち、ＨＰＴ構造のように、ベース層に正孔を蓄積するタイプの光検出素子では、メサ構造７で露呈するｐｎ接合の領域を所定の寸法分に従いｐ型に変換することで、狭いバンドギャップの半導体材料から成るｐｎ接合を素子内部側に移動し、ベース層露呈側面における正孔の消滅を抑制することが出来る。
　図１に示した実施形態ではメサ構造７をＩｎＰバッファ層１１までの深さまで形成し、コレクタ層１０の露呈側面及びＩｎＰバッファ層１１の表面部分４７まで、図１（Ｂ）中の所定寸法部分３２に亘り拡散領域６を形成している。これによって露呈するｐｎ接合がバンドギャップの大きなＩｎＰとなることにより、表面欠陥の影響を軽減する効果と、複数のＨＰＴ素子をアレイ上に連接する場合に素子間のクロストークも軽減できる効果がある。
　図４は、本発明に従って作製されたＳＣＢ領域のあるＨＰＴ（ＳＢＣ−ＨＰＴ）の一例の感度特性を同一面積の従来のフォトダイオード（ＰＤ）例と比較したものである。図中、白丸（○）は本発明ＨＰＴの光応答をＤＣ測定した場合、黒丸（●）は光応答ロックインアンプで計測した場合であり、白四角（□）は従来のＰＤの出力をＤＣ測定した場合、黒四角（■）はロックインアンプで計測した場合を示している。本発明ＨＰＴは、ＰＩＮフォトダイオードに比べて、入力光レベルにより１，０００~１０，０００倍の出力を有する。そのため、外部アンプのフォトディテクタ光入力強度で換算した等価入力雑音は、外部アンプの入力換算雑音をＨＰＴの利得分で割った値になるので、外部アンプによるノイズの影響は大きく軽減できる。実際、図４に示されている通り、同一面積の従来構成のＰＤと比較すると、当該ＰＤでは入射光量で１ｐＷが検出限界であるのに対し、本発明ＨＰＴでは数十ｆＷがその検出限界となり、通常の測定環境では、数十倍の検出限界の向上が認められることが分る。さらに、本発明に従って構築されたＨＰＴでは、１．５μｍのピーク波長感度において２０ｋＡ／Ｗを有し、かつ０．４μｍにおいても１０ｋＡ／Ｗの感度を保つことに成功しており、可視から近赤外域における極めて高感度な光検出システムを構成するのに大いなる貢献をなし得ることも分る。
　図５（Ａ），（Ｂ）には、本発明の第二の実施形態におけるＨＰＴが示されている。特に説明をしない部分は図１に示したＨＰＴと同じ構成で良いので、本第二実施形態において追加された構成に関し、主として説明する。
　この実施形態では、エミッタコンタクト層２は下記追加拡散領域２０の位置決めを行う意味から必要である。すなわち、その下のエミッタ層３にあってエミッタコンタクト層２に触れずに平面的に見て当該エミッタコンタクト層２の周囲に沿う部分に、マスク９に開けられた開口を介してのトーパント拡散で、周方向にぐるりとリング状に閉じる追加の拡散領域２０が設けられている。この拡散領域２０は拡散領域６と同じ導電型で、エミッタ層３を上下に貫いている。この拡散領域２０のみを取り出すと、やはり中空筒状体の形態になるが、その内部に残った形になるエミッタ層部分が実効的なエミッタ領域となる。
　このようにすることで、ＨＰＴとしての利得及び周波数特性が向上できる。つまり、エミッタコンタクト層（例えばｎ＋−ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層）２から真性エミッタ層（例えばｎ−ＩｎＰ真性エミッタ層）３に注入される電子電流が、既述した第二導電型（例えばｐ型）に転換されたエミッタ層部分（例えばＩｎＰの拡散領域２０）によるポテンシャルバリアによりブロックされ、エミッタ電子電流が当該リング状拡散領域２０にて囲まれた内部面積部分である実質的エミッタ領域に集中する。そのため、実効トランジスタ面積が縮小し、電子電流密度が増加する。実効トランジスタ面積が縮小することにより、周波数応答が改善される。また、ヘテロバイポーラトランジスタにおいては、エミッタ電流密度がある程度大きい方が、ベースあるいはベースエミッタ界面における再結合電流の効果が小さくなり、電流利得が増加する。従って、実効トランジスタ面積を縮小することにより、低照度条件における電流利得を向上することができるのである。
　以上では本発明をＨＰＴに適用した実施形態に就き説明したが、ある意味ではより基本的な構造として、ＰＤに本発明を適用することも当然にでき、既に説明したと同様の効果を得ることができる。図６（Ａ），（Ｂ）には、このように、本発明に従いＰＤを構築した望ましい一実施形態が示されている。同図（Ａ）は平面図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面端面図である。
　まず、第一の導電型、例えばｎ型化合物半導体の第一半導体層１０は、この実施形態では光吸収層４１であり、その上に、第一導電型とは逆極性の第二の導電型、例えばｐ型化合物半導体の第二半導体層となるアノード層４が積層されている。第一半導体層１０である光吸収層４１の下には第一導電型、従ってこの場合はｎ型で第一半導体層１０に比して相対的にワイドギャップな化合物半導体から成るワイドギャップバッファ層１１があり、これはカソード層を兼ねる基板１２上に形成され、基板１２の裏側にはカソード電極２３が接触している。
　基板側から上方に見て順に積層関係にある光吸収層１０，アノード層４は、メサエッチングにより島状に切り出されたメサ構造７となっており、従ってその側面は周方向に沿ってぐるりと全て空間に露呈した露呈側面となっている。アノード層４の表面上にあって側面に沿う部分にはアノード電極２４がリング状に形成されている。リング状という語句の定義は既に述べた通りである。
　本発明に従い、このＰＤにおいても、メサ構造７の露呈側面から素子の内部に向かって、所定の横方向寸法分だけ、所定のドーパントを用いて第二半導体層、すなわちアノード層４と同一導電型の半導体層に転換された、平面的に見るとリング状の拡散領域６が設けられている。先と同様に、こうするには例えばＺｎ等のドーパントを熱拡散すれば良く、光吸収層１０（４１）の露呈側面から横方向内方へ所定寸法の厚み部分（横方向拡散寸法部分）だけ、アノード層４と同一導電型のｐ型半導体に転換することができる。また、基板主面と平行な平面においても、アノード層４の基板主面と平行な表面にあって側面から素子内部に向かう表面部分も、所定の横方向寸法分３３だけ、ドーパントＺｎの拡散された拡散領域３３となり、同様に第一半導体層１０である光吸収層４１の下に位置するバッファ層１１の基板主面と平行な表面部分も、メサ構造７に接する部分から横方向外方向に向かい、所定の横方向寸法分３２だけ、ドーパントＺｎの拡散された第二導電型の拡散領域３２となっている。こうすることで、素子表面におけるｐｎ接合は、いずれも結晶欠陥の影響が小さいワイドバンドギャップ半導体上に形成されることになる。
　従来のＺｎ拡散によるプレーナ型ＰＩＮフォトダイオードではＺｎの表面濃度は１０２０ｃｍ−３に達し、しかも、内部結晶欠陥密度を軽減したり、内部電界強度を緩和するためには、ｐｎ接合におけるキャリア濃度プロファイルを緩やかに形成する必要がある。従って、通常のプレーナ型フォトダイオードにおいては、０．５~１μｍ程度と、比較的厚いｎ−ＩｎＰ層の一部を島状に深めにＺｎ拡散することにより、必要な耐圧と暗電流特性を得るしかなかった。これはつまり、光吸収層となるＩｎＧａＡｓが表面から深さ方向に遠くなるということであり、ＩｎＰで吸収される０．９μｍよりも短い波長では感度が低下するという欠点があった。一方で、従来のメサ構造を有するＰＩＮフォトダイオードでは、表面のｐ−ＩｎＰ層を薄くすることにより、短波長の光に対しても感度を持たせることができるが、露呈側面での表面リーク電流が問題となっていた。
　ところが、本発明に従うＰＤでは、例えばｎ−ＩｎＧａＡｓの光吸収層４１（１０）およびｐ−ＩｎＰアノード層４からなるメサ構造のｐｎ接合の露呈側面をＺｎ拡散によりリング状にｐ型に反転させ、ｐｎ接合を素子の内部に移動させているので、リーク電流の影響を抑制することができ、かつ、光が入射して来る部分にはＺｎが拡散されていないがため、問題なくアノード層４の薄膜化が可能となる。すなわち、吸収対象波長の光学的吸収定数の逆数以下にアノード層４の厚みを設定することで当該吸収対象波長を効率良く吸収し，光電変換できるが、従来は種々の制約により、そう薄くはできなかった所、本発明によればそうした制約が大幅に緩和され、概ね１００~２００ｎｍ以下に設定することも全く自由に行え、従来に比し、さらなる広帯域化を問題なく図れるようになった。
　また、ＰＤをアレイ状に配置した場合、従来のプレーナ型ＰＤアレイの場合、光吸収層４１は各アレイ要素で共通であるため、隣接する素子で発生した光生成キャリアの一部が拡散流入し、アレイ要素間のクロストークが問題となって来る。これに対し本発明では各アレイ要素ごとに光吸収層４１が基板まで分離されているため、クロストークが２０ｄＢ以上確保でき、しかも暗電流は従来のプレーナ型ＰＤと遜色がない。
　なお、これは実験的に得られた知見ではあるが、メサ構造を図示のように平面形状が矩形の島状に形成する場合、その角部の曲率を３~５μｍに設定すると、当該角部分での電界集中効果を緩和することができ、効果的なことが分った。また、アノード電極２４は、図中では第二半導体層４であるアノード層４の表面上に形成されているが、本発明に従うドーパント拡散によりｐ型反転されたワイドバンドギャップバッファ層１１上の拡散領域３２に接触するように形成することもできる。

Claims (3)

  1. 　第一導電型の第一半導体層により構成される光吸収層と、その上に形成され、該第一導電型とは逆極性の第二導電型の第二半導体層となるアノード層と、該第一半導体層の下に設けられ、該第一半導体層に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る上記第一導電型のワイドギャップバッファ層と、該ワイドギャップバッファ層の下にあってカソード層を兼ねる基板とを含み；
    　積層関係にある上記第一、第二半導体層はメサエッチングにより島状に切り出されたメサ構造であって、該メサ構造の側面は空間に露呈した露呈側面となっているフォトダイオード構造を有し；
    　該メサ構造の上記露呈側面から素子の内部に向かって所定の横方向寸法分だけ、上記第二半導体層と同一導電型である上記第二導電型の半導体層に転換された、平面的に見るとリング状の拡散領域が設けられていると共に；
    　上記アノード層の上記基板主面と平行な表面にあって側面から素子内部に向かう表面部分にも、所定の横方向寸法分だけ、上記第二導電型の拡散領域が設けられ；
    　上記ワイドギャップバッファ層の基板主面と平行な表面部分にも、上記メサ構造に接する部分から横方向外方向に向かい、所定の横方向寸法分だけ、上記第二導電型の拡散領域が設けられていること；
    　を特徴とする光検出素子。
  2. 　第一導電型の第一半導体層により構成されるコレクタ層と、その上に形成され、該第一導電型とは逆極性の第二導電型の第二半導体層となるベース層と、該第二半導体層の上に形成され、該第二半導体層に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る上記第一導電型の第三半導体層によるエミッタ層と、該第一半導体層の下に設けられ、該第一半導体層に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る上記第一導電型のワイドギャップバッファ層と、該ワイドギャップバッファ層の下に位置する基板とを含み；
    　積層関係にある上記第一、第二、第三半導体層はメサエッチングにより島状に切り出されたメサ構造であって、該メサ構造の側面は空間に露呈した露呈側面となっているヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ構造を有し；
    　該メサ構造の上記露呈側面から素子の内部に向かって所定の横方向寸法分だけ、上記第二半導体層と同一導電型である上記第二導電型の半導体層に転換された、平面的に見るとリング状の拡散領域が設けられていると共に；
    　上記エミッタ層の上記基板主面と平行な表面にあって側面から素子内部に向かう表面部分にも、所定の横方向寸法分だけ、上記第二導電型の拡散領域が設けられ；
    　上記ワイドギャップバッファ層の基板主面と平行な表面部分にも、上記メサ構造に接する部分から横方向外方向に向かい、所定の横方向寸法分だけ、上記第二導電型の拡散領域が設けられていること；
    　を特徴とする光検出素子。
  3. 　請求項２記載の光検出素子であって；
    　上記エミッタ層の上にエミッタコンタクト層が設けられ；
    　該エミッタ層にあって該エミッタコンタクト層に触れずに平面的に見て該エミッタコンタクト層の周囲に沿う部分には、周方向にリング状に閉じ、該エミッタ層を上下に貫く追加の拡散領域が設けられていること；
    　を特徴とする光検出素子。
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