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KR950014288B1 - 수광소자 - Google Patents

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KR950014288B1
KR950014288B1 KR1019920019628A KR920019628A KR950014288B1 KR 950014288 B1 KR950014288 B1 KR 950014288B1 KR 1019920019628 A KR1019920019628 A KR 1019920019628A KR 920019628 A KR920019628 A KR 920019628A KR 950014288 B1 KR950014288 B1 KR 950014288B1
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야스시 후지무라
이찌로 토오나이
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스미도모덴기고오교오 가부시기가이샤
쿠라우찌 노리타카
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    • 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
    • H10F30/223—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 PIN barrier
    • 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
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    • H10F77/20—Electrodes
    • H10F77/206—Electrodes for devices having potential barriers
    • H10F77/241—Electrodes for devices having potential barriers comprising ring electrodes

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Abstract

내용 없음.

Description

수광소자
제1도는 본 발명에 관한 수광소자의 기본적인 실시예를 표시한 도면.
제2도는 본 발명에 관한 수광소자의 제2실시예를 표시한 도면.
제3도는 본 발명에 관한 수광소자의 제3실시예를 표시한 도면.
제4도는 종래의 수광소자의 구조를 표시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체기판 2 : 반도체결정층
2a : 버퍼층 2b : 수광층
2c : 윈도우층 3 : 제1의 영역
4 : 제2의 영역 5 : 전극
6 : 반사방지막 7 : 소자보호막.
본 발명은, 반도체레이저용의 광출력모니터장치, 광통신시스템용의 수신장치 등에 사용되는 수광소자에 관한 것이다.
제4도는 종래의 수광소자의 구조를 상면도 및 그 X-X' 단면도로 표시한 것이다. 도시된 바와 같이 종래의 수광소자는, 이면에 제1도전형의 전극(8)이 설비된 제1도전형 반도체기판(1)의 표면에, 광흡수층을 포함한 제1도전형 반도체결정층(2)이 적층되고, 그 반도체결정층(2)에는 불순물이 선택확산 되어서, 제2도전형인 제1의 영역(3)이 형성되어 있다. 이 구조는, 반도체기판(1)을 n층(또는P층), 제1의 영역(3)을 P층(또는 n층)으로 하고, 그 Pn 접합부분(공핍층 또는 i층)을 수광 영역(10)으로 하는 Pin 포토다이오우드구조를 형성하고 있다. 반도체결정층(2)의 표면에는, 제1의 영역(3)위에 제2도전형 전극(5)이 설비되어 있으며, 그 전극(5)의 안쪽의 제1의 영역(3)위는 반사방지막(6)에 의해서 씌워지고, 또 전극(5)의 바깥쪽의 반도체결정층(2)위는 소자보호막(9)에 의해서 씌워져 있다.
상기의 구조를 가진 반도체장치에 역바이어스를 인가하므로서 공핍층속에 전계가 발생하고, 수광 영역(10)으로의 입사광에 의해서 발생한 캐리어인 전자, 정공(正孔)의 각각은, 제1도전형 반도체기판(1), 제2도전형 영역(3)의 각각의 방향으로 배분되어서 가속된다. 이때문에 광전류를 외부에 빼낼수 있으며, 광신호를 검출할 수 있다.
상기의 제4도에 표시한 구조에서는, 수광 영역(10)내에 광이 입사하면, 광생성 캐리어는 공핍층에 포촉되어서 응답특성은 양호하게 된다. 그러나, 수광 영역(10)의 바깥쪽으로 광이 입사하면, 발생한 캐리어가 밀도구배에 의해 확산해서 공핍층에 도달하고, 광전류로서 빼내어진다. 이 확산에 의한 캐리어의 이동은 느리기 때문에, 캐리어가 수광 영역(10)에 도달하면, 광펄스응답파형의 내리서기에 꼬리를 발생하여 버린다.
상기의 수광소자를 광통신에 사용할때, 광파이버로부터 출사한 광은 수광 영역(l0)에 입사하도록 집광된다. 그러나, 일부의 광이 수광 영역(10)의 밖으로 누설되었을 경우, 상기한 이유에 의해 수광소자의 응답속도의 저하에 연결된다. 특히 고속의 수광소자에서는, 수광 영역(10)의 면적을 작게해서 접합용량을 떨어뜨리고 있으므고, 수광 영역(10)의 바깥쪽에 입사하는 광의 비율이 증가해서 응답속도가 느린 확산성분이 증가하고, 응답속도의 열화에 연결된다.
또, 반도체레이저의 광출력을 일정하게 유지하기 위하여, 반도체레이저의 뒤단부면으로부터 출사한 광을수광소자에서 받아서 반도체레이저의 구동전류를 귀환제어할때, 반도체레이저로부터 출사한 광이 수광소자의 수광 영역(10)의 바깥쪽으로 퍼져버리면, 상기한 바와 같이 확산에 의한 응답속도가 느린 성분이 발생하고, 귀환제어에 악영향을 준다.
본 발명은, 이들의 문제를 해결하고, 응답속도 등의 전기적 광학적특성을 개선한 수광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 제1의 도전형을 표시한 반도체층의 일부에 제2의 도전형을 표시한 제2의 영역을 선택적으로 설정하므로서 형성되는 Pn접합부분을 수광 영역으로 한 수광소자에 있어서, 제1의 영역은 반도체층의 일부에 형성된 제2의 도전형을 표시한 제2의 영역에 의해서 둘러싸이고, 반도체층과 제2의 영역과는 도전체에 의해서 전기적으로 단락되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 입사한 광이 수광 영역밖으로 누설되어서 캐리어를 발생시켰을 경우에도, 그 캐리어는 제2도전형의 제2의 영역에 흡수되므로, 확산에 의한 수광 영역내에의 캐리어의 유입을 방지할 수 있다. 이때문에, 필요한 광전류만을 외부회로에 빼낼 수 있다.
또, 제1의 도전형을 표시한 반도체층과 상기의 제2의 영역과의 사이에 금속등 도전성의 막을 형성하여 단락하므로서, 제2의 영역에 흡수된 캐리어를 재결합·소멸시킬 수 있다. 따라서 제1의 영역에는 캐리어의 축적이 없고, 광펄스응답파형의 하강에 꼬리를 발생하지 않는 등, 소자의 전기적·광학적특성을 개선할수 있다.
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
먼저, 제l도를 사용하여, 본 발명에 관한 수광소자의 기본적인 실시예에 대해서 설명한다. 동도면(a)는 본 발명의 수광소자의 상면도, 동도면(b)는 그 X-X' 단면도이다. 도시된 바와 같이, 이면에 제1도전형인 n형의 전극(8)이 설비되고, 마찬가지로 형 반도체기판(1)의 표면상에는 광흡수층을 포함한 제1도전형인 n형의 반도체결정층(2)이 형성되어 있다. 이 반도체결정층(2)에는, 봉관법(封管法)에 의한 불순물확산에 의해서 제2도전형인 P형의 제1의 영역(3)이 형성되어 있다. 여기에서, 제1의 영역(3)의 직경은 300μm이고, 이 제1의 영역(3)을 형성하므로서 형성된 Pn 접합부분이, 수광 영역(10)을 형성하고 있다. 또 이제1의 영역(3)은, 마찬가지로 불순물확산에 의해서 전하포획 영역인 P형의 제2의 영역(4)에서 둘러싸여 있으며, 제1의 영역(3)과는 20μm의 거리를 두고 형성되어 있다. 이 제1의 영역(3)위에는 제2도전형인 P형의 전극(5)이 설비되고, 그 안쪽의 제1의 영역(3)위에는 반사방지막(6)이, 바깥쪽의 제1의 영역(3) 및 제2의 영역(4)을 포함한 반도체결정층(2)위에는 소자보호막(7)이 형성되어 있다.
상기의 구조에 의하면, 수광 영역(10)에 입사된 광에 의해서 발생한 전자, 정공의 각각은, 반도체기판(1)과 제1의 영역(3)의 방향으로 각각 배분되어서, 가속된다. 이때문에, 광전류를 외부에 빼낼수 있으며, 광신호를 검출할 수 있다. 또, 수광 영역(10) 이외의 부분에 광이 입사하였을 경우, 발생한 불필요한 캐리어는 반도체결정층(2)속의 제2의 영역(4)에 형성된 빌트인퍼텐셜에 의해서 포획되고, 수광 영역(10)내에 유입하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 광신호의 검출에 필요한 광전류만을 빼낼 수 있다.
단, 이때 제2의 영역(4)에 의해서 흡수 포획된 캐리어중, 그 일부는 반도체결정층(2)내에서 재결합에 의해서 소멸되나, 그외는 제2의 영역(4)내에 축적된다. 특히 큰 강도의 광입력시에는 재결합에 의해서 소멸되는 캐리어의 비율이 적고, 그외의 대부분의 캐리어가 제2의 영역(4)에 축적된다. 이때문에 제2의 영역(4)에 형성된 빌트인퍼텐셜이 약해지고, 제2의 영역(4)에서 포획되는 캐리어의 비율이 감소된다. 따라서, 확산에 의한 이동속도가 느린 캐리어가 수광 영역(10)으로 유입하게되고, 광펄스응답파형의 내리서기에 꼬리를 발생하는 등, 소자의 전기적·광학적특성에 악영향이 발생한다.
상기의 영향은, 특히 제2의 영역(4)이 소자의 단부면부분에 노출되어 있지 않은 경우에 크다. 이 경우, 캐리어의 재결합·소멸이 거의 일어나지 않기 때문에 제2의 영역(4)에 캐리어가 축적되고, 이대로는 앞서 설명한 바와 같이 전기적 광학적특성에 영향이 발생하여 버린다. 한편, 제2의 영역(4)이 소자의 단부면에 노출되어 있는 경우에는, 캐리어는 이 단부면부분에서 누설되어서 재결합 소멸되기 쉽다. 이때문에, 제2의영역(4)에서 축적되는 캐리어가 거의 없으며, 제2의 영역(4)에 형성된 빌트인퍼텐셜은 쉽게 약해지지 않는다. 그때문에, 제2의 영역(4)에서 포획되는 캐리어의 비율은 감소되지 않고, 전기적 광학적특성에 큰 악영향을 미치는 일은 없다. 그러나, 이들의 수광소자를 여러가지의 광학장치에 응용하는데 있어서, 큰 강도의 광입력시라도, 발생한 캐리어를 보다 신속히 소멸시키고, 제2의 영역(4)내에는 캐리어가 항상 축적되어 있지 않은 상태를 유지할 필요가 있다.
그래서 상기의 영향을 없애기 위하여, 상기의 구조에 더하여, 제1도에 표시된 바와 같이, 또, 반도체결정층(2)과 제2의 영역(4)에 각각 접촉하도록 금속막(11)이 형성되어 있다. 본 실시예에 있어서 이 금속막(11)은 반도체결정층(2)과 제2의 영역(4)의 각각에 폭 5μm씩 접촉하고 있으며, 그 면적은 10μm×50μm이다.
상기의 구조에 의하면, 상기한 바와 같이 수광 영역(10) 이외의 부분에 광이 입사하였을 경우, 발생한 불필요한 캐리어는 전하포획 영역인 제2의 영역(4)에 의해서 포획된다. 따라서, 광펄스의 하강에 꼬리가 발생하는 일없이, 광신호의 검출에 필요한 광전류만을 빼낼 수 있다. 또 이 포획된 캐리어는, 반도체결정층(2)과 제2의 영역(4)을 단락하고 있는 금속막(11)에 의해서 재결합 소멸되고, 제2의 영역(4)내에는 축적되지 않는다. 따라서, 제2의 영역(4)에서 포획되는 캐리어의 비율은 감소되지 않고, 전기적 광학적특성에 영향을 미치는 일이 없다. 또, 구조에 대해서도, 축적한 캐리어를 빼내기 위하여 새로운 전극을 형성해서 전극(8)과 접속한다고하는 복잡한 처치를 취할 필요가 없이, 소자구조의 간략화를 도모할 수 있다. 또한, 영역(3)의 직경 및 금속막(11)의 면적 등은, 본 실시예에 한정될 필요는 없다.
다음에, 제2도를 사용하여 본 발명의 제2실시예에 대해서 설명한다. 동도(a)는 본 실시예에 관한 수광소자의 상면도, 동도(b)는 그 X-X' 단면도이다. 이면에 n쪽 전극(8)이 형성되어 있는 n+형 InP(인듐·인) 반도체기판(1)위에는, 도우핑안된 InP버퍼층(2a) (캐리어농도 ; n=2×1015cm-3,두께 2μm), 도우핑안된 InGaAs(인듐, 갈륨, 비소), 수광층 2b(n=3×1015cm-3, 두께 3.5μm), 그리고 암전류를 적게 하기위한 도우핑안된 InP윈도우층(2c)(n=1×1015cm-3, 두께 2μm)이 적층되어 있다. 이들 수광층(2b) 및 윈도우층(2c)에는, P형인 제1의 영역(3) 및 제2의 영역(4)이, Zn의 선택확산에 의해 형성되어 있다. 이 제1의 영역(3)의 직경은 200μm이고, 제2의 영역(전하포획 영역)(4)의 폭은 40μm이다. 또, 제1의 영역(3)과 주위의 제2의 영역(4)와의 사이에 있는 n형 영역의 폭은 10μm이다. 한편, 제1의 영역(3)위에는 P쪽 전극(5)이 설비되어 있으며, 그 전극(5)의 안쪽의 영역(3)위에는 반사방지막(6)이, 바깥쪽의 제1의 영역(3) 및 제2의 영역(4)을 포함한 윈도우층(2c)위에는 소자보호막(7)이 형성되어 있다. 또, 윈도우층(2c)위에는 반도체결정층(2)과 제2의 영역(4)에 각각 접촉하도록 금속막(11)이 형성되어 있다. 이 금속막(11)은, 제2의 영역(4)에서 포획된 캐리어를 재결합 소멸시키기 위하여 반도체결정층(2)과 제2의 영역(4)의 각각에 폭10μm씩 접촉하고 있으며, 그 면적은 20μm×40μm이다.
상기의 수광층(2b)의 두께는 입사광의 흡수효율을 좋게하기 위하여 2∼7μm의 범위에 있는 것이 바람직하나, 특히 이 범위에 한정되는 것은 아니다 또, P형인 제1의 영역(3)과 제2의 영역(4)과의 사이의 형영역의 폭은 2∼40μm의 범위에 있는 것이 바람직하나, 특히 이 범위에 한정되는 것은 아니다. 또, n형 영역 및 P형인 제2의 영역(4)에 접촉하고 있는 금속막(11)의 형상폭도 상기한 것에 한정되는 것은 아니다.
이 구조에 있어서도, 상기의 기본적인 실시예와 마찬가지로, 불필요한 캐리어는 제2의 영역(4)에 집합되고, 또 금속막(11)에 의해서 그들 캐리어가 재결합 소멸된다. 따라서, 응답속도 등의 전기적 광학적특성에 악영향을 미치는 일은 없다.
다음에, 제3도를 사용하여 본 발명에 관한 제3실시예에 대해서 설명한다. 동도(a)는 본 실시예의 상면도, 동도(b)는 그 X-X 단면도이다. Fe 도우프 InP기판(1)(저항률 ; P=1M·cm)위에는, 도우핑안된 InP버퍼층(2a)(n=1×l0l5cm-3, 두께 1μm), 도우핑안된 InGaAs수광층(2b)(n=1×1015cm-3, 두께 4μm)도우핑안된 InP윈도우층(2c)(n=2×1015cm-3, 두께 3μm)이 적층되어 있다. 이들 수광층(2b) 및 윈도우층(2c)에는, P형의 제1의 영역(3) 및 제2의 영역(4)이, 봉관법에 의한 Zn의 선택확산에 의해 형성되어 있다. 이 제1의 영역(3)의 직경은 300μm이고, 이 영역(3)을 형성하므로서, Pn접합부분을 수광 영역(10)으로 하는 구조가 형성된다. 또, 제1의 영역(3)과 주위의 제2의 영역(4)과의 사이에 있는 P형 영역의 폭은 20μm이다. 한편, 제1의 영역(3)위에는 P쪽 전극(5)가 설비되어 있으며, 그 전극(5)의 안쪽의 영역(3)위에는 반사방지막(6)이, 바깥쪽의 제1의 영역(3) 및 제2의 영역(4)을 포함한 윈도우층(2c)위에는 소자보호막(7)이 형성되어 있다. 또한, 수광소자의 n쪽 전극(8)은 제2의 영역(4)의 바깥쪽의 InP윈도우층(2c) 및 제2의 영역(4)의 일부의 위에 형성되고, 그 내경은 330μm이며, 제2의 영역(4)위에 5μm 내뻗고 있다.
상기의 구조에 의하면, 전극(8)을 P형인 제2의 영역(4) 및 n형의 윈도우층(2c)의 양쪽에 접촉하도록 형성하므로서, 광전류를 빼내기위한 n쪽 전극(8)과, 영역(전하포획 영역)(4)에서 포획된 캐리어를 재결합·소멸시키기 위한 금속막(11)의 양쪽의 역할을 다할 수 있으며, 간단한 구조이면서 상기한 기본적인 실시예 및 제2실시예와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
여기에 기재한 반도체재료 및 그 치수 등은 어디까지나 일예이고, 용도·대상으로 하는 파장 등에 의해 달라진다. 예를들면, 반도체제료에 대해서는 GaAs(갈륨·비소), InGaAsP(인듐·갈륨·비소·인), AlGaAs(알루미늄·갈륨·비소), CdTd(카드뮴·텔루륨), HgCdTe(수은·카드뮴·텔루륨), InSb(인듐·안티몬)등의 화합물 반도체나, Si(규소), Ge(게르마늄) 등이라도 된다. 또, 불순물에는 Be(베릴륨), Cd(카드뮴)등의 재료를 사용해도 된다. 그 불순물확산에는 이온주입 등의 방법을 사용해도 된다. 또, 제2의 영역과 반도체결정층을 단락하는 제료는 금속막에 한정되지 않고, 도전성을 가진 반도체층 등이라도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 제1도전형 반도체결정층속의 수광 영역을 둘러싸도록 제2도전형 영역을 형성시킨다고 하는 간단한 구조를 사용하므로서, 수광 영역의 바깥쪽에 입사한 광에 의해서 발생한 전하를 흡수하고, 응답속도의 열화를 방지할 수 있다. 또, 수광 영역의 바깥쪽의 제1도전형을 표시한 반도체층과, 선택적으로 형성된 제2의 영역과의 사이를 전기적으로 단락하는 구조를 사용하므로서, 포획한 캐리어를 재결합·소멸시킬 수 있으며, 특히 큰 강도광 입력시에 광펄스응답파형의 하강에 꼬리를 발생하지 않는 등, 소자의 전기적·광학적특성이 개선된 수광소자를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 제1의 도전형을 표시한 반도체층의 일부에 제2의 도전형을 표시한 제1의 영역을 선택적으로 설정하므로서 형성되는 Pn 접합부분을 수광 영역으로 한 수광소자에 있어서, 상기 제1의 영역은, 상기 반도체층의 일부에 형성된 제2의 도전형을 표시한 제2의 영역에 의해서 둘러싸여지고, 상기 반도체층과 상기 제2의 영역과는, 도전체에 의해서 전기적으로 단락되어 있는 것을 특징으로 하는 수광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도전체는, 금속막인 것을 특징으로 하는 수광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도전체는, 도전성 반도체층인 것을 특징으로 하는 수광소자.
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