JP5386764B2

JP5386764B2 - 光検出素子

Info

Publication number: JP5386764B2
Application number: JP2010532978A
Authority: JP
Inventors: 睦郎小倉
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-10-06
Also published as: US8530933B2; JPWO2010041756A1; US20110193133A1; WO2010041756A1

Description

本発明は光検出素子（フォトディテクタ）に関し、特に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。

本発明はヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタに関するものであるが、まずはこのフォトダイオードに関しての考察を施すところから始めると、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1.09x10⁵ cm^-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n_i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、
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を提案する。

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。

本発明に従って構築されるメサ構造を有するHPTでは、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。

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(A)中のB-B線に沿う断面図である。従来のHPTにおける不具合を説明する説明図である。本発明に従い作製されたHPTにおいての改良部分を示す説明図である。本発明に従い作製された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。本発明に従い作製された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。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(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HPTであるので、これに対し、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n_i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2^0.5x0.2μm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。

３エミッタ層
４ベース層
５第二メサ構造
６拡散領域
７メサ構造
10 コレクタ層
11 ワイドギャップバッファ層
12 基板
31，32 拡散領域
41 光吸収層(感光領域)
46，47 pn接合ないし表面領域

Claims

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。
請求項１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。