JPH09289333A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH09289333A JPH09289333A JP8101481A JP10148196A JPH09289333A JP H09289333 A JPH09289333 A JP H09289333A JP 8101481 A JP8101481 A JP 8101481A JP 10148196 A JP10148196 A JP 10148196A JP H09289333 A JPH09289333 A JP H09289333A
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- light
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- semiconductor
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
- H10F30/221—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a PN homojunction
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 フォトダイオードの受光部の外側に入射した
背景光の影響を除去し、応答特性に優れたフォトダイオ
ードを得る。 【解決手段】 ｐ型の背景光捕獲領域９を、ｐ型の受光
領域４の周囲に少なくとも寸法Ｌを隔てて形成すること
により、背景光によるホールＨは、背景光捕獲領域９の
形成する空乏層Ｄｂ に捕獲され光電流に寄与しない。
このため、応答特性の劣化が生じず、高速化が図られ
る。また、本構造において、ＶBmin以上の耐圧を実現す
るためには、最短距離Ｌとｎ- −ＩｎＰ窓層３あるいは
ｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層２のキャリア濃度の最小値
Ｎmin との間に次式（１）の関係を要する。 Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin （１） なお、ｅはＩｎＰあるいはＩｎＧａＡｓの誘電率、ｑは
電荷素量である。
背景光の影響を除去し、応答特性に優れたフォトダイオ
ードを得る。 【解決手段】 ｐ型の背景光捕獲領域９を、ｐ型の受光
領域４の周囲に少なくとも寸法Ｌを隔てて形成すること
により、背景光によるホールＨは、背景光捕獲領域９の
形成する空乏層Ｄｂ に捕獲され光電流に寄与しない。
このため、応答特性の劣化が生じず、高速化が図られ
る。また、本構造において、ＶBmin以上の耐圧を実現す
るためには、最短距離Ｌとｎ- −ＩｎＰ窓層３あるいは
ｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層２のキャリア濃度の最小値
Ｎmin との間に次式（１）の関係を要する。 Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin （１） なお、ｅはＩｎＰあるいはＩｎＧａＡｓの誘電率、ｑは
電荷素量である。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光通信に使用さ
れる半導体受光素子に関するものである。
れる半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図８は、従来の半導体受光素子であるＩ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの構造を示す断面
図である。図において、１は第１導電型の半導体基板で
あるｎ+ −ＩｎＰ基板、２はｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収
層、３はｎ- −ＩｎＰ窓層、４は第２導電型領域である
受光領域で、Ｚｎ拡散ｐ型領域、５はＳｉＮパッシベー
ション膜、６はＳｉＯ2 膜、７はｐ側電極、８はｎ側電
極、Ｄは空乏層、Ｈはホール、Ｒは受光部をそれぞれ示
す。
ｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの構造を示す断面
図である。図において、１は第１導電型の半導体基板で
あるｎ+ −ＩｎＰ基板、２はｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収
層、３はｎ- −ＩｎＰ窓層、４は第２導電型領域である
受光領域で、Ｚｎ拡散ｐ型領域、５はＳｉＮパッシベー
ション膜、６はＳｉＯ2 膜、７はｐ側電極、８はｎ側電
極、Ｄは空乏層、Ｈはホール、Ｒは受光部をそれぞれ示
す。
【０００３】次に動作について説明する。ｐ側電極７と
ｎ側電極８の間に逆バイアスを印加し、光吸収層２に空
乏層Ｄを形成する。受光部Ｒより入射した光は、受光領
域４を透過し、空乏層Ｄで電子・ホール対を発生させ、
空乏層電界にて電子・ホール対を分離することにより、
光電流を外部回路に発生させる。ここで、空乏層Ｄ内で
発生したホールＨは、空乏層電界により飽和速度ｖ＝２
Ｅ６cm/sで移動し、すばやく光電流として寄与するた
め、入射光に対する光電流の高速応答を実現できる。
ｎ側電極８の間に逆バイアスを印加し、光吸収層２に空
乏層Ｄを形成する。受光部Ｒより入射した光は、受光領
域４を透過し、空乏層Ｄで電子・ホール対を発生させ、
空乏層電界にて電子・ホール対を分離することにより、
光電流を外部回路に発生させる。ここで、空乏層Ｄ内で
発生したホールＨは、空乏層電界により飽和速度ｖ＝２
Ｅ６cm/sで移動し、すばやく光電流として寄与するた
め、入射光に対する光電流の高速応答を実現できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
フォトダイオード構造では、受光部Ｒ内に光が入射した
場合には良好な応答特性が得られるが、受光部Ｒの外側
に入射する光（背景光）があった場合には、空乏層Ｄ外
で発生したホールＨが密度勾配により拡散して空乏層Ｄ
まで到達し光電流となるため、高速応答を劣化させる原
因となる。現象としては、高速パルス応答波形におい
て、図９のＳで示すようなすそひきを生じ、「０」、
「１」の判断を不可能にする場合もある。
フォトダイオード構造では、受光部Ｒ内に光が入射した
場合には良好な応答特性が得られるが、受光部Ｒの外側
に入射する光（背景光）があった場合には、空乏層Ｄ外
で発生したホールＨが密度勾配により拡散して空乏層Ｄ
まで到達し光電流となるため、高速応答を劣化させる原
因となる。現象としては、高速パルス応答波形におい
て、図９のＳで示すようなすそひきを生じ、「０」、
「１」の判断を不可能にする場合もある。
【０００５】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、フォトダイオードの受光部Ｒの
外側に入射した背景光の影響を除去し、応答特性に優れ
たフォトダイオードを得ることを目的とする。
ためになされたもので、フォトダイオードの受光部Ｒの
外側に入射した背景光の影響を除去し、応答特性に優れ
たフォトダイオードを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる半導体
受光素子は、第１導電型の半導体基板上に形成された第
１導電型の半導体層と、この半導体層の一部に選択的に
設けられた第２導電型の受光領域と、この受光領域の周
囲に少なくとも寸法Ｌを隔てて形成された第２導電型の
背景光捕獲領域と、背景光捕獲領域と第１導電型の領域
とを短絡させる短絡電極と、第１導電型の領域および受
光領域にそれぞれ接続された電極を備え、受光領域と背
景光捕獲領域の最短距離Ｌを、以下に示す式（１）によ
り決定したものである。 Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin （１） ただし、式（１）において、Ｎmin は半導体層を構成す
る結晶のキャリア濃度の規格下限、ＶBminは素子の耐圧
の規格下限、ｅは半導体層を構成する結晶の誘電率、ｑ
は電荷素量を示す。また、背景光捕獲領域は、受光領域
よりも深い範囲まで形成されているものである。
受光素子は、第１導電型の半導体基板上に形成された第
１導電型の半導体層と、この半導体層の一部に選択的に
設けられた第２導電型の受光領域と、この受光領域の周
囲に少なくとも寸法Ｌを隔てて形成された第２導電型の
背景光捕獲領域と、背景光捕獲領域と第１導電型の領域
とを短絡させる短絡電極と、第１導電型の領域および受
光領域にそれぞれ接続された電極を備え、受光領域と背
景光捕獲領域の最短距離Ｌを、以下に示す式（１）によ
り決定したものである。 Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin （１） ただし、式（１）において、Ｎmin は半導体層を構成す
る結晶のキャリア濃度の規格下限、ＶBminは素子の耐圧
の規格下限、ｅは半導体層を構成する結晶の誘電率、ｑ
は電荷素量を示す。また、背景光捕獲領域は、受光領域
よりも深い範囲まで形成されているものである。
【０００７】また、受光領域および背景光捕獲領域が形
成されていない素子表面に、絶縁膜を介して遮光金属を
設けたものである。また、短絡電極は、金属膜および半
導体基板よりもバンドギャップの小さい半導体膜のいず
れか一方または両方よりなるものである。また、短絡電
極は、背景光捕獲領域の一部に第１導電型領域を露出さ
せた面上に形成されているものである。さらに、露出さ
れた第１導電型領域の幅は、背景光捕獲領域と第１導電
型領域により形成される空乏層幅の２倍以上とするもの
である。
成されていない素子表面に、絶縁膜を介して遮光金属を
設けたものである。また、短絡電極は、金属膜および半
導体基板よりもバンドギャップの小さい半導体膜のいず
れか一方または両方よりなるものである。また、短絡電
極は、背景光捕獲領域の一部に第１導電型領域を露出さ
せた面上に形成されているものである。さらに、露出さ
れた第１導電型領域の幅は、背景光捕獲領域と第１導電
型領域により形成される空乏層幅の２倍以上とするもの
である。
【０００８】また、短絡電極は、背景光捕獲領域の一部
に不純物導入により形成された高濃度の第１導電型領域
上に形成されているものである。また、受光領域を半導
体層の２箇所に設け、それら２つの受光領域の間に背景
光捕獲領域を形成したものである。さらに、第１導電型
領域の電極を素子表面側に設け、この電極が短絡電極を
兼ねるようにしたものである。
に不純物導入により形成された高濃度の第１導電型領域
上に形成されているものである。また、受光領域を半導
体層の２箇所に設け、それら２つの受光領域の間に背景
光捕獲領域を形成したものである。さらに、第１導電型
領域の電極を素子表面側に設け、この電極が短絡電極を
兼ねるようにしたものである。
【０００９】
実施の形態１．図１は、本発明の実施の形態１であるＩ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの基本構造を示す
断面図である。図において、１は第１導電型の半導体基
板であるｎ+ −ＩｎＰ基板、２、３は同じく第１導電型
の半導体層であるｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層およびｎ
- −ＩｎＰ窓層、４は第２導電型の受光領域であるＺｎ
拡散ｐ型領域であり、この受光領域４を設けることによ
って形成されたｐｎ接合部分がフォトダイオードを構成
する。５はＳｉＮパッシベーション膜、６はＳｉＯ
2 膜、７は第２導電型の電極であるｐ側電極、８は第１
導電型の電極であるｎ側電極、９は第２導電型の背景光
捕獲領域であるＺｎ拡散ｐ型領域である。背景光捕獲領
域９は、受光領域４の周囲に少なくともＬの幅を隔てて
形成されている。１０ａは背景光捕獲領域９と第１導電
型領域であるｎ- −ＩｎＰ窓層３を直接短絡させる短絡
電極、１０ｂは背景光捕獲領域９に接触して形成された
短絡電極で、金属ワイヤー１１で第１導電型の半導体基
板１と短絡を行う。Ｄａは受光領域４によって形成され
る空乏層、Ｄｂは背景光捕獲領域９によって形成される
空乏層、Ｈはホール、Ｒは受光部をそれぞれ示す。
ｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの基本構造を示す
断面図である。図において、１は第１導電型の半導体基
板であるｎ+ −ＩｎＰ基板、２、３は同じく第１導電型
の半導体層であるｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層およびｎ
- −ＩｎＰ窓層、４は第２導電型の受光領域であるＺｎ
拡散ｐ型領域であり、この受光領域４を設けることによ
って形成されたｐｎ接合部分がフォトダイオードを構成
する。５はＳｉＮパッシベーション膜、６はＳｉＯ
2 膜、７は第２導電型の電極であるｐ側電極、８は第１
導電型の電極であるｎ側電極、９は第２導電型の背景光
捕獲領域であるＺｎ拡散ｐ型領域である。背景光捕獲領
域９は、受光領域４の周囲に少なくともＬの幅を隔てて
形成されている。１０ａは背景光捕獲領域９と第１導電
型領域であるｎ- −ＩｎＰ窓層３を直接短絡させる短絡
電極、１０ｂは背景光捕獲領域９に接触して形成された
短絡電極で、金属ワイヤー１１で第１導電型の半導体基
板１と短絡を行う。Ｄａは受光領域４によって形成され
る空乏層、Ｄｂは背景光捕獲領域９によって形成される
空乏層、Ｈはホール、Ｒは受光部をそれぞれ示す。
【００１０】次に動作について説明する。ｐ側電極７と
ｎ側電極８の間に逆バイアスを印加し、光吸収層２に空
乏層Ｄａ、Ｄｂを形成する。受光部Ｒより入射した光
は、ｐ型領域である受光領域４を透過し、空乏層Ｄａで
電子・ホール対を発生させ、空乏層電界にて電子・ホー
ル対を分離することにより、光電流を外部回路に発生さ
せる。ここで、空乏層Ｄａ内で発生したホールＨは、空
乏層電界により飽和速度ｖ＝２Ｅ６cm/sで移動し、すば
やく光電流として寄与するため、入射光に対する光電流
の高速応答を実現できる。一方、受光部Ｒの外側に入射
した光によるホールＨは、ｐ型領域である背景光捕獲領
域９の形成する空乏層Ｄｂに捕獲されるため、空乏層Ｄ
ａへ流入するのを防ぐことができ、光電流に寄与しな
い。このため、従来のフォトダイオードで発生していた
応答特性の劣化が生じず、より一層の高速化が図られ
る。また、背景光捕獲領域９に捕獲されたホールＨは、
短絡電極１０ａ、１０ｂにより再結合・消滅し、背景光
捕獲領域９内には蓄積されないので、チャージアップを
解消することができる。なお、短絡電極１０ａ、１０ｂ
は同じ役割を果たすので、どちらか一方を形成すれば良
い。
ｎ側電極８の間に逆バイアスを印加し、光吸収層２に空
乏層Ｄａ、Ｄｂを形成する。受光部Ｒより入射した光
は、ｐ型領域である受光領域４を透過し、空乏層Ｄａで
電子・ホール対を発生させ、空乏層電界にて電子・ホー
ル対を分離することにより、光電流を外部回路に発生さ
せる。ここで、空乏層Ｄａ内で発生したホールＨは、空
乏層電界により飽和速度ｖ＝２Ｅ６cm/sで移動し、すば
やく光電流として寄与するため、入射光に対する光電流
の高速応答を実現できる。一方、受光部Ｒの外側に入射
した光によるホールＨは、ｐ型領域である背景光捕獲領
域９の形成する空乏層Ｄｂに捕獲されるため、空乏層Ｄ
ａへ流入するのを防ぐことができ、光電流に寄与しな
い。このため、従来のフォトダイオードで発生していた
応答特性の劣化が生じず、より一層の高速化が図られ
る。また、背景光捕獲領域９に捕獲されたホールＨは、
短絡電極１０ａ、１０ｂにより再結合・消滅し、背景光
捕獲領域９内には蓄積されないので、チャージアップを
解消することができる。なお、短絡電極１０ａ、１０ｂ
は同じ役割を果たすので、どちらか一方を形成すれば良
い。
【００１１】次に、本発明における受光領域４と背景光
捕獲領域９の最短距離Ｌの算出方法について説明する。
一般に、空乏層幅ｗは、以下の式で記される。 ｗ＝（２Ｖｅ／ｑＮ）1/2 ・・・（ａ） （ａ）式においてｅは半導体層を形成する結晶の誘電率
であり、本実施の形態ではＩｎＰあるいはＩｎＧａＡｓ
の誘電率、Ｎは半導体層のキャリア濃度であり、本実施
の形態ではｎ- −ＩｎＰあるいはｎ- −ＩｎＧａＡｓの
キャリア濃度、ｑは電荷素量を示す。本発明において、
耐圧Ｖの規格下限ＶBminは、受光領域４と背景光捕獲領
域９の最短距離Ｌが受光領域４の形成する空乏層Ｄａ
の幅ｗとほとんど等しくなった場合（ｗ＝Ｌ）に発生す
ると仮定すると、（ａ）式は、 Ｌ＝（２ＶBminｅ／ｑＮ）1/2 ・・・（ｂ） となる。また、空乏層幅ｗは、キャリア濃度Ｎが小さい
程、低い電圧ＶでＬとほぼ等しくなるため、ＶBminはＮ
min により決まるので、Ｎ＝Ｎmin とすると（ｂ）式
は、 Ｌ＝（２ＶBminｅ／ｑＮmin ）1/2 ・・・（ｃ） となる。これより、 Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin ・・・（１） が導かれる。
捕獲領域９の最短距離Ｌの算出方法について説明する。
一般に、空乏層幅ｗは、以下の式で記される。 ｗ＝（２Ｖｅ／ｑＮ）1/2 ・・・（ａ） （ａ）式においてｅは半導体層を形成する結晶の誘電率
であり、本実施の形態ではＩｎＰあるいはＩｎＧａＡｓ
の誘電率、Ｎは半導体層のキャリア濃度であり、本実施
の形態ではｎ- −ＩｎＰあるいはｎ- −ＩｎＧａＡｓの
キャリア濃度、ｑは電荷素量を示す。本発明において、
耐圧Ｖの規格下限ＶBminは、受光領域４と背景光捕獲領
域９の最短距離Ｌが受光領域４の形成する空乏層Ｄａ
の幅ｗとほとんど等しくなった場合（ｗ＝Ｌ）に発生す
ると仮定すると、（ａ）式は、 Ｌ＝（２ＶBminｅ／ｑＮ）1/2 ・・・（ｂ） となる。また、空乏層幅ｗは、キャリア濃度Ｎが小さい
程、低い電圧ＶでＬとほぼ等しくなるため、ＶBminはＮ
min により決まるので、Ｎ＝Ｎmin とすると（ｂ）式
は、 Ｌ＝（２ＶBminｅ／ｑＮmin ）1/2 ・・・（ｃ） となる。これより、 Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin ・・・（１） が導かれる。
【００１２】一方、耐圧Ｖの規格下限ＶBminが、ｗとＬ
がほとんど等しくなった場合（ｗ＝Ｌ）に発生すること
は、実験により確認されている。以下に、実験結果を初
めて開示する。図２は、受光領域４とその周囲の背景光
捕獲領域９の拡散フロントからの幅が８μｍの場合の耐
圧ＶB とキャリア濃度Ｎとの関係を示す図である。図
中、直線は Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin ・・・（１） 破線は Ｎ＝（Ｅg ／１. １）2 ×（６０／ＶBmin）4/3 ・・・（２） を示す。上式においてＥg はＩｎＰあるいはＩｎＧａＡ
ｓのバンドギャップエネルギーである。なお、式（２）
は一般に知られている式である（参考文献：光通信素子
光学、米澤著）。図において、（１）式と実験値がよく
一致していることから、（１）式の仮定は正しいと考え
ることができる。以上のことから、本実施の形態の構造
において、ＶBmin以上の耐圧を実現するためには、受光
領域４とその周囲の背景光捕獲領域９の最短距離Ｌとｎ
- −ＩｎＰ窓層３あるいはｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層
２のキャリア濃度の最小値Ｎminおよび最大値Ｎmax と
の間には上記（１）および（２）式の関係が成立する。
（１）および（２）式によれば、受光領域４とその周囲
の背景光捕獲領域９の距離Ｌを１０μｍとした場合、Ｖ
Bmin＝４０Ｖの耐圧を得るために必要なＩｎＧａＡｓの
キャリア濃度はＮmin ＝６Ｅ１４cm-3、Ｎmax ＝８Ｅ１
５cm-3、ＩｎＰのキャリア濃度はＮmin ＝５Ｅ１４c
m-3、Ｎmax ＝２. ６Ｅ１６cm-3となる。
がほとんど等しくなった場合（ｗ＝Ｌ）に発生すること
は、実験により確認されている。以下に、実験結果を初
めて開示する。図２は、受光領域４とその周囲の背景光
捕獲領域９の拡散フロントからの幅が８μｍの場合の耐
圧ＶB とキャリア濃度Ｎとの関係を示す図である。図
中、直線は Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin ・・・（１） 破線は Ｎ＝（Ｅg ／１. １）2 ×（６０／ＶBmin）4/3 ・・・（２） を示す。上式においてＥg はＩｎＰあるいはＩｎＧａＡ
ｓのバンドギャップエネルギーである。なお、式（２）
は一般に知られている式である（参考文献：光通信素子
光学、米澤著）。図において、（１）式と実験値がよく
一致していることから、（１）式の仮定は正しいと考え
ることができる。以上のことから、本実施の形態の構造
において、ＶBmin以上の耐圧を実現するためには、受光
領域４とその周囲の背景光捕獲領域９の最短距離Ｌとｎ
- −ＩｎＰ窓層３あるいはｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層
２のキャリア濃度の最小値Ｎminおよび最大値Ｎmax と
の間には上記（１）および（２）式の関係が成立する。
（１）および（２）式によれば、受光領域４とその周囲
の背景光捕獲領域９の距離Ｌを１０μｍとした場合、Ｖ
Bmin＝４０Ｖの耐圧を得るために必要なＩｎＧａＡｓの
キャリア濃度はＮmin ＝６Ｅ１４cm-3、Ｎmax ＝８Ｅ１
５cm-3、ＩｎＰのキャリア濃度はＮmin ＝５Ｅ１４c
m-3、Ｎmax ＝２. ６Ｅ１６cm-3となる。
【００１３】図３は、短絡電極の構造の４つの例を示す
部分断面図である。図３−ａは、背景光捕獲領域９の一
部に第１導電型領域であるｎ- −ＩｎＰ窓層３を露出さ
せ、金属よりなる短絡電極１０ａにより直接短絡させた
基本的な構造である。第２導電型領域であるｐ型の背景
光捕獲領域９に囲まれた第１導電型領域に導電性を得る
ためには、空乏層Ｄｂのない領域Ｗｎが必要であるた
め、空乏層Ｄｂの幅の２倍以上の幅にわたってｎ- −Ｉ
ｎＰ窓層３を露出させる必要がある。この場合、空乏層
Ｄｂの拡がっていないｎ- −ＩｎＰ窓層３上の領域Ｗｎ
と背景光捕獲領域９上の領域Ｗｐとを、接触抵抗が大き
くならない程度に確保する必要がある。図３−ｂは、金
属よりなる短絡電極１０ａとｎ- −ＩｎＰ窓層３との間
に半導体基板１であるＩｎＰよりもバンドギャップの小
さい結晶、例えばＩｎＧａＡｓ層１２を設け、接触抵抗
のより一層の低減を図るものである。図３−ｃは、上記
図３−ｂの構造において、金属よりなる短絡電極１０ａ
を用いず、半導体基板１よりもバンドギャップの小さい
結晶、例えばＩｎＧａＡｓ層１２のみで短絡をとり、さ
らにＩｎＧａＡｓ層１２上を絶縁膜である例えばＳｉＮ
パッシベーション膜５で覆った構造である。本構造は、
短絡部分を露出したくない場合に有効である。図３−ｄ
は、短絡電極１０ａの下部であるｎ- −ＩｎＰ窓層３の
短絡部分に、ｎ型の不純物を導入し、高濃度のｎ型領域
１３を形成したものである。本構造は、短絡部分を小さ
くする必要がある場合や、ｎ- −ＩｎＰ窓層３の代わり
に半絶縁性層を用いる場合に有効である。
部分断面図である。図３−ａは、背景光捕獲領域９の一
部に第１導電型領域であるｎ- −ＩｎＰ窓層３を露出さ
せ、金属よりなる短絡電極１０ａにより直接短絡させた
基本的な構造である。第２導電型領域であるｐ型の背景
光捕獲領域９に囲まれた第１導電型領域に導電性を得る
ためには、空乏層Ｄｂのない領域Ｗｎが必要であるた
め、空乏層Ｄｂの幅の２倍以上の幅にわたってｎ- −Ｉ
ｎＰ窓層３を露出させる必要がある。この場合、空乏層
Ｄｂの拡がっていないｎ- −ＩｎＰ窓層３上の領域Ｗｎ
と背景光捕獲領域９上の領域Ｗｐとを、接触抵抗が大き
くならない程度に確保する必要がある。図３−ｂは、金
属よりなる短絡電極１０ａとｎ- −ＩｎＰ窓層３との間
に半導体基板１であるＩｎＰよりもバンドギャップの小
さい結晶、例えばＩｎＧａＡｓ層１２を設け、接触抵抗
のより一層の低減を図るものである。図３−ｃは、上記
図３−ｂの構造において、金属よりなる短絡電極１０ａ
を用いず、半導体基板１よりもバンドギャップの小さい
結晶、例えばＩｎＧａＡｓ層１２のみで短絡をとり、さ
らにＩｎＧａＡｓ層１２上を絶縁膜である例えばＳｉＮ
パッシベーション膜５で覆った構造である。本構造は、
短絡部分を露出したくない場合に有効である。図３−ｄ
は、短絡電極１０ａの下部であるｎ- −ＩｎＰ窓層３の
短絡部分に、ｎ型の不純物を導入し、高濃度のｎ型領域
１３を形成したものである。本構造は、短絡部分を小さ
くする必要がある場合や、ｎ- −ＩｎＰ窓層３の代わり
に半絶縁性層を用いる場合に有効である。
【００１４】本実施の形態によるフォトダイオード構造
では、受光領域４とその周囲に形成された背景光捕獲領
域９は同一のマスクを用いて同時に写真製版工程を行う
ことが可能であり、ｐ型拡散工程も同時に行うことがで
きる。また、ｐ側電極７と短絡電極１０ａ、１０ｂも同
一のマスクを用いて同時に電極形成を行うことが可能で
ある。このように、本実施の形態によるフォトダイオー
ドは、従来の製造工程と比較してマスクを変更するだけ
で良く、新たな工程および装置を導入する必要がないの
で、容易に製造することができる。
では、受光領域４とその周囲に形成された背景光捕獲領
域９は同一のマスクを用いて同時に写真製版工程を行う
ことが可能であり、ｐ型拡散工程も同時に行うことがで
きる。また、ｐ側電極７と短絡電極１０ａ、１０ｂも同
一のマスクを用いて同時に電極形成を行うことが可能で
ある。このように、本実施の形態によるフォトダイオー
ドは、従来の製造工程と比較してマスクを変更するだけ
で良く、新たな工程および装置を導入する必要がないの
で、容易に製造することができる。
【００１５】実施の形態２．図４は、本発明の実施の形
態２であるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの構
造を示す断面図である。なお、図中実施の形態１と同
一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本
実施の形態では、背景光捕獲領域９の拡散フロントを、
受光領域４の拡散フロントよりも深くなるように形成し
たものである。背景光捕獲領域９の拡散フロントは、ｎ
−ＩｎＰ基板１に接触する場合もある。上記のように構
成されたフォトダイオードでは、前述の実施の形態１の
ように受光領域４とその周囲の背景光捕獲領域９のｐ型
拡散工程を同時に行うことができないため、各々個別に
形成する必要があるが、背景光により形成されたホール
Ｈの獲得をより完全に行うことが可能である。
態２であるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの構
造を示す断面図である。なお、図中実施の形態１と同
一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本
実施の形態では、背景光捕獲領域９の拡散フロントを、
受光領域４の拡散フロントよりも深くなるように形成し
たものである。背景光捕獲領域９の拡散フロントは、ｎ
−ＩｎＰ基板１に接触する場合もある。上記のように構
成されたフォトダイオードでは、前述の実施の形態１の
ように受光領域４とその周囲の背景光捕獲領域９のｐ型
拡散工程を同時に行うことができないため、各々個別に
形成する必要があるが、背景光により形成されたホール
Ｈの獲得をより完全に行うことが可能である。
【００１６】実施の形態３．図５は、本発明の実施の形
態３であるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの構
造を示す断面図である。図において、１４は受光領域４
とその周囲に形成された背景光捕獲領域９の隙間上に、
絶縁膜であるパッシベーション膜５を介して配置された
遮光金属である。なお、図中実施の形態１または２と同
一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
態３であるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの構
造を示す断面図である。図において、１４は受光領域４
とその周囲に形成された背景光捕獲領域９の隙間上に、
絶縁膜であるパッシベーション膜５を介して配置された
遮光金属である。なお、図中実施の形態１または２と同
一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００１７】前述の実施の形態１または２によるフォト
ダイオード構造では、受光領域４とその周囲に形成され
た背景光捕獲領域９の隙間から入射した光によるホール
Ｈは、受光領域４および背景光捕獲領域９のいずれにも
捕獲されず、密度勾配により拡散して空乏層Ｄａまで到
達し光電流となり、高速応答を劣化させる原因となる可
能性がある。本実施の形態によれば、受光領域４と背景
光捕獲領域９の隙間上に遮光金属１４を設けることによ
り、上記隙間より背景光が入射することがないので、応
答特性の劣化が生じず、より一層の高速化が可能であ
る。なお、遮光金属１４は、ｐ側電極７の一部を拡張し
て構成しても良い。
ダイオード構造では、受光領域４とその周囲に形成され
た背景光捕獲領域９の隙間から入射した光によるホール
Ｈは、受光領域４および背景光捕獲領域９のいずれにも
捕獲されず、密度勾配により拡散して空乏層Ｄａまで到
達し光電流となり、高速応答を劣化させる原因となる可
能性がある。本実施の形態によれば、受光領域４と背景
光捕獲領域９の隙間上に遮光金属１４を設けることによ
り、上記隙間より背景光が入射することがないので、応
答特性の劣化が生じず、より一層の高速化が可能であ
る。なお、遮光金属１４は、ｐ側電極７の一部を拡張し
て構成しても良い。
【００１８】実施の形態４．図６は、本発明の実施の形
態４であるアレー型フォトダイオードの構造を示す断面
図である。アレー型フォトダイオードは、図中ＰＤ１、
ＰＤ２で示すように、２つのフォトダイオード部より構
成されている。なお、図中実施の形態１〜３と同一、相
当部分には同一符号を付し、説明を省略する。従来のア
レー型フォトダイオードでは、例えばＰＤ２への入射光
によるホールＨがＰＤ１の領域に拡散し暗電流となるク
ロストークを低減することが課題であったが、本実施の
形態によれば２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２間
に背景光捕獲領域９を設けたので、クロストークの原因
となる拡散ホールＨを獲得することができる。
態４であるアレー型フォトダイオードの構造を示す断面
図である。アレー型フォトダイオードは、図中ＰＤ１、
ＰＤ２で示すように、２つのフォトダイオード部より構
成されている。なお、図中実施の形態１〜３と同一、相
当部分には同一符号を付し、説明を省略する。従来のア
レー型フォトダイオードでは、例えばＰＤ２への入射光
によるホールＨがＰＤ１の領域に拡散し暗電流となるク
ロストークを低減することが課題であったが、本実施の
形態によれば２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２間
に背景光捕獲領域９を設けたので、クロストークの原因
となる拡散ホールＨを獲得することができる。
【００１９】実施の形態５．図７は、本発明の実施の形
態５であるフォトダイオードの構造を示す断面図であ
る。図において、１ａは半絶縁性ＩｎＰ基板、８ａは背
景光捕獲領域９とｎ-−ＩｎＰ窓層３とを接続する短絡
電極を兼ねたｎ側電極である。なお、図中実施の形態１
〜４と同一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略
する。本実施の形態は、背景光捕獲領域９とｎ- −Ｉｎ
Ｐ窓層３を直接短絡させる短絡電極をｎ側電極として利
用したものであり、フォトダイオードチップ表面に２電
極を設ける必要がある場合に有効である。
態５であるフォトダイオードの構造を示す断面図であ
る。図において、１ａは半絶縁性ＩｎＰ基板、８ａは背
景光捕獲領域９とｎ-−ＩｎＰ窓層３とを接続する短絡
電極を兼ねたｎ側電極である。なお、図中実施の形態１
〜４と同一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略
する。本実施の形態は、背景光捕獲領域９とｎ- −Ｉｎ
Ｐ窓層３を直接短絡させる短絡電極をｎ側電極として利
用したものであり、フォトダイオードチップ表面に２電
極を設ける必要がある場合に有効である。
【００２０】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、第２
導電型である受光領域の周囲に、少なくとも寸法Ｌを隔
てて同じく第２導電型である背景光捕獲領域を形成した
ので、受光部の外側に入射した光によるホールが、背景
光捕獲領域の形成する空乏層に捕獲され光電流に寄与し
ないため、応答特性の劣化が生じず、より一層の高速化
が実現される。さらに、本発明によれば、Ｎmin ＝２ｅ
／ｑＬ2 ・ＶBmin の関係が成り立つので、受光領域と
背景光捕獲領域の最短距離Ｌ、素子の耐圧の規格下限Ｖ
Bminおよび半導体層のキャリア濃度の規格下限Ｎmin そ
れぞれの最適値を容易に決定することができ、設計の効
率が向上する効果がある。
導電型である受光領域の周囲に、少なくとも寸法Ｌを隔
てて同じく第２導電型である背景光捕獲領域を形成した
ので、受光部の外側に入射した光によるホールが、背景
光捕獲領域の形成する空乏層に捕獲され光電流に寄与し
ないため、応答特性の劣化が生じず、より一層の高速化
が実現される。さらに、本発明によれば、Ｎmin ＝２ｅ
／ｑＬ2 ・ＶBmin の関係が成り立つので、受光領域と
背景光捕獲領域の最短距離Ｌ、素子の耐圧の規格下限Ｖ
Bminおよび半導体層のキャリア濃度の規格下限Ｎmin そ
れぞれの最適値を容易に決定することができ、設計の効
率が向上する効果がある。
【００２１】また、背景光捕獲領域を受光領域よりも深
く形成したので、背景光により形成されるホールをより
確実に捕獲することができ、応答特性が向上する。
く形成したので、背景光により形成されるホールをより
確実に捕獲することができ、応答特性が向上する。
【００２２】さらに、受光領域および背景光捕獲領域が
形成されていない素子表面に遮光金属を設けたので、応
答特性を低下させる原因となるホールの発生を防ぐこと
ができ、高速応答が実現できる。
形成されていない素子表面に遮光金属を設けたので、応
答特性を低下させる原因となるホールの発生を防ぐこと
ができ、高速応答が実現できる。
【図１】 この発明の実施の形態１であるフォトダイオ
ードの構造を示す断面図である。
ードの構造を示す断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１であるフォトダイオ
ードにおけるキャリア濃度と耐圧の関係を示す図であ
る。
ードにおけるキャリア濃度と耐圧の関係を示す図であ
る。
【図３】 この発明の実施の形態１であるフォトダイオ
ードの短絡電極の構造の例を示す断面図である。
ードの短絡電極の構造の例を示す断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態２であるフォトダイオ
ードの構造を示す断面図である。
ードの構造を示す断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態３であるフォトダイオ
ードの構造を示す断面図である。
ードの構造を示す断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態４であるアレー型フォ
トダイオードの構造を示す断面図である。
トダイオードの構造を示す断面図である。
【図７】 この発明の実施の形態５であるフォトダイオ
ードの構造を示す断面図である。
ードの構造を示す断面図である。
【図８】 従来のフォトダイオードの構造を示す断面図
である。
である。
【図９】 従来のフォトダイオードのパルス応答波形を
示す図である。
示す図である。
１ 半導体基板、２、３ 半導体層、４ 受光領域、５
パッシベーション膜、６ 絶縁膜、７ 第２導電型領
域（ｐ側）電極、８ 第１導電型領域（ｎ側）電極、９
背景光捕獲領域、１０ａ、１０ｂ 短絡電極、１１
金属ワイヤー、１２ 半導体膜、１３ 高濃度の第１導
電型領域、１４ 遮光金属。
パッシベーション膜、６ 絶縁膜、７ 第２導電型領
域（ｐ側）電極、８ 第１導電型領域（ｎ側）電極、９
背景光捕獲領域、１０ａ、１０ｂ 短絡電極、１１
金属ワイヤー、１２ 半導体膜、１３ 高濃度の第１導
電型領域、１４ 遮光金属。
Claims (9)
- 【請求項１】 第１導電型の半導体基板上に形成された
第１導電型の半導体層、 この半導体層の一部に選択的に設けられた第２導電型の
受光領域、 この受光領域の周囲に少なくとも寸法Ｌを隔てて形成さ
れた第２導電型の背景光捕獲領域、 上記背景光捕獲領域と上記第１導電型の領域とを短絡さ
せる短絡電極、 上記第１導電型の領域および上記受光領域にそれぞれ接
続された電極を備え、上記受光領域と上記背景光捕獲領
域の最短距離Ｌを、以下に示す式（１）により決定した
ことを特徴とする半導体受光素子。 Ｎmin ＝２ｅ／ｑＬ2 ・ＶBmin （１） ただし、式（１）において、Ｎmin は上記半導体層を構
成する結晶のキャリア濃度の規格下限、ＶBminは素子の
耐圧の規格下限、ｅは上記半導体層を構成する結晶の誘
電率、ｑは電荷素量を示す。 - 【請求項２】 背景光捕獲領域は、受光領域よりも深い
範囲まで形成されていることを特徴とする請求項１記載
の半導体受光素子。 - 【請求項３】 受光領域および背景光捕獲領域が形成さ
れていない素子表面に、絶縁膜を介して遮光金属を設け
たことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導
体受光素子。 - 【請求項４】 短絡電極は、金属膜および半導体基板よ
りもバンドギャップの小さい半導体膜のいずれか一方ま
たは両方よりなることを特徴とする請求項１〜請求項３
のいずれか一項に記載の半導体受光素子。 - 【請求項５】 短絡電極は、背景光捕獲領域の一部に第
１導電型領域を露出させた面上に形成されていることを
特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の
半導体受光素子。 - 【請求項６】 露出された第１導電型領域の幅は、背景
光捕獲領域と第１導電型領域により形成される空乏層幅
の２倍以上であることを特徴とする請求項５記載の半導
体受光素子。 - 【請求項７】 短絡電極は、背景光捕獲領域の一部に不
純物導入により形成された高濃度の第１導電型領域上に
形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の
いずれか一項に記載の半導体受光素子。 - 【請求項８】 受光領域を半導体層の２箇所に設け、そ
れら２つの受光領域の間に背景光捕獲領域を形成したこ
とを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記
載の半導体受光素子。 - 【請求項９】 第１導電型領域の電極を素子表面側に設
け、上記電極が短絡電極を兼ねるようにしたことを特徴
とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の半導
体受光素子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8101481A JPH09289333A (ja) | 1996-04-23 | 1996-04-23 | 半導体受光素子 |
| TW085112638A TW392366B (en) | 1996-04-23 | 1996-10-16 | Semiconductor photo-sensor |
| EP96117421A EP0803915A3 (en) | 1996-04-23 | 1996-10-30 | Semiconductor photodetector |
| US08/743,937 US5811842A (en) | 1996-04-23 | 1996-11-05 | Semiconductor photodetector including background light region |
| KR19960071568A KR970072508A (ja) | 1996-04-23 | 1996-12-24 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8101481A JPH09289333A (ja) | 1996-04-23 | 1996-04-23 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09289333A true JPH09289333A (ja) | 1997-11-04 |
Family
ID=14301915
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8101481A Pending JPH09289333A (ja) | 1996-04-23 | 1996-04-23 | 半導体受光素子 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5811842A (ja) |
| EP (1) | EP0803915A3 (ja) |
| JP (1) | JPH09289333A (ja) |
| KR (1) | KR970072508A (ja) |
| TW (1) | TW392366B (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003009397A1 (fr) * | 2001-07-12 | 2003-01-30 | Sharp Kabushiki Kaisha | Recepteur de lumiere a fente, recepteur de lumiere integre dans un circuit et disque optique |
| WO2008029767A1 (en) | 2006-09-07 | 2008-03-13 | Sony Corporation | Light receiving device, and light receiving device manufacturing method |
| WO2009025048A1 (ja) * | 2007-08-22 | 2009-02-26 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | 光半導体装置 |
| JP2009099907A (ja) * | 2007-10-19 | 2009-05-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子アレイおよび撮像装置 |
| WO2023243570A1 (ja) * | 2022-06-14 | 2023-12-21 | Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 | 半導体受光素子およびその製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3484962B2 (ja) * | 1997-12-09 | 2004-01-06 | 住友電気工業株式会社 | 受光素子 |
| EP2073055A1 (en) * | 2007-12-20 | 2009-06-24 | TPO Displays Corp. | Detection of an incident light distribution |
| JP2015012239A (ja) * | 2013-07-01 | 2015-01-19 | ソニー株式会社 | 撮像素子および電子機器 |
| WO2015171572A1 (en) * | 2014-05-05 | 2015-11-12 | Trustees Of Boston University | Dark current mitigation with diffusion control |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0799782B2 (ja) * | 1985-06-18 | 1995-10-25 | 株式会社ニコン | 半導体光検出装置 |
| JPH01117375A (ja) * | 1987-10-30 | 1989-05-10 | Hamamatsu Photonics Kk | 半導体装置 |
| JPH04111477A (ja) * | 1990-08-31 | 1992-04-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子 |
| JPH04111479A (ja) * | 1990-08-31 | 1992-04-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子 |
| JPH04111478A (ja) * | 1990-08-31 | 1992-04-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子 |
| JPH0513798A (ja) * | 1991-07-01 | 1993-01-22 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体受光装置 |
| JP3047385B2 (ja) * | 1991-10-25 | 2000-05-29 | 住友電気工業株式会社 | 受光素子 |
| JPH05235396A (ja) * | 1992-02-24 | 1993-09-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体受光装置 |
| JPH07115184A (ja) * | 1993-08-24 | 1995-05-02 | Canon Inc | 積層型固体撮像装置及びその製造方法 |
-
1996
- 1996-04-23 JP JP8101481A patent/JPH09289333A/ja active Pending
- 1996-10-16 TW TW085112638A patent/TW392366B/zh active
- 1996-10-30 EP EP96117421A patent/EP0803915A3/en not_active Withdrawn
- 1996-11-05 US US08/743,937 patent/US5811842A/en not_active Expired - Fee Related
- 1996-12-24 KR KR19960071568A patent/KR970072508A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003009397A1 (fr) * | 2001-07-12 | 2003-01-30 | Sharp Kabushiki Kaisha | Recepteur de lumiere a fente, recepteur de lumiere integre dans un circuit et disque optique |
| US7098489B2 (en) | 2001-07-12 | 2006-08-29 | Sharp Kabushiki Kaisha | Split type light receiving element and circuit-built-in light-receiving element and optical disk drive |
| WO2008029767A1 (en) | 2006-09-07 | 2008-03-13 | Sony Corporation | Light receiving device, and light receiving device manufacturing method |
| JP2008066497A (ja) * | 2006-09-07 | 2008-03-21 | Sony Corp | 受光装置および受光装置の製造方法 |
| WO2009025048A1 (ja) * | 2007-08-22 | 2009-02-26 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | 光半導体装置 |
| JP2009099907A (ja) * | 2007-10-19 | 2009-05-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子アレイおよび撮像装置 |
| WO2023243570A1 (ja) * | 2022-06-14 | 2023-12-21 | Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 | 半導体受光素子およびその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW392366B (en) | 2000-06-01 |
| EP0803915A2 (en) | 1997-10-29 |
| KR970072508A (ja) | 1997-11-07 |
| EP0803915A3 (en) | 1998-05-06 |
| US5811842A (en) | 1998-09-22 |
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