JP2670525B2 - 受光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はIII−Ｖ族化合物半導体を用いた受光素子の
構造および製造方法に関する。

〔概要〕

本発明は、電極が基板の一方の側に配置される構造の
受光素子において、 電極を同一面内に配置することにより、 素子表面の凹凸を減らし、微細なパターンの素子を形
成できるようにするものである。

〔従来の技術〕

従来から、高速応答が可能な短波長用受光素子とし
て、GaAs系半導体を用いたショットキーバリアフォトダ
イオードやPINフォトダイオードが開発されている。

第７図は従来例ショットキーフォトダイオードの斜視
図を示し、第８図はＣ−Ｃ断面図を示す。

このショットキーフォトダイオードは、半絶縁性GaAs
基板21上にn⁺形GaAs層22およびn^-形GaAs層23を成長さ
せ、このn^-形GaAs層23の上に半透明ショットキー電極24
を設け、この半透明ショットキー電極24が設けられた以
外の部分についてはn^-形GaAs層23を除去し、そこにオー
ミック電極25を設けたものである。半透明ショットキー
電極24の表面には誘電体膜26が設けられる。

この構造の受光素子の詳細については、ワング他、エ
レクトロニクス・レターズ、第19巻第14号、第554頁
（S.Y.Wang et al.,Electron.Lett.,19（14）,554（198
3））に示されている。

第９図は従来例PINフォトダイオードの断面図を示
す。

このPINフォトダイオードは、半絶縁性GaAs基板31上
にn⁺形GaAs層32、ｎ形GaAs層33、イントリンシックGaAs
層34およびｐ形GaAs層35をエピタキシャル成長させ、こ
のｐ形GaAs層35上の一部の領域にオーミック電極36を設
け、このオーミック電極36が設けられた以外の部分につ
いてはn⁺形GaAs層32を露出させ、そこにオーミック電極
37を設けたものである。このPINフォトダイオードの周
囲は、絶縁分離のため、Ｈのイオン注入により高抵抗領
域38が形成される。

この構造の受光素子の詳細については、レンス他、ア
プライド・フィジクス・レターズ、第２巻第15号、第19
1頁（Lenth.et al.,Appl.Phys.Lett.,2（15）,191（198
5））に示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

受光素子の高速応答性を向上させるためには、素子自
体の静電容量を極力小さくする必要がある。そのため上
述した従来例では、半絶縁性基板上に素子を形成してい
る。また、素子以外の電極（ワイヤボンディング用パッ
ドなど）は、その部分が静電容量をもたないように、表
面のGaAs成長層をエッチングにより剥離した後に形成し
ている。

しかし、GaAs成長層をエッチングすることにより表面
に凹凸ができ、微細なパターンを有する素子を形成する
ことが困難である。

本発明は、以上の課題を解決し、受光素子の周辺に凹
凸のない構造の受光素子を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第一の観点はショットキーフォトダイオード
であり、基板上に形成された第一の半導体層と、この第
一の半導体層上にこの層より低不純物濃度で形成された
第二の半導体層と、この第二の半導体層との間にショッ
トキー接合を形成するショットキー電極と、第一の半導
体層にオーミックに接続されたオーミック電極とを備え
た受光素子において、第二の半導体層にはオーミック電
極と第一の半導体層とを電気的に接続する高不純物濃度
領域が設けられ、オーミック電極はショットキー電極と
実質的に同一の平面内に形成されたことを特徴とする。

基板として半絶縁性GaAs基板を用い、第一の半導体層
としてn⁺形GaAs層を用い、第二の半導体層としてn^-形Ga
As層を用いることができる。

高不純物濃度領域のうちオーミック電極が設けられて
いない領域には、表面から基板に至る高抵抗領域を備え
ることが望ましい。

このような受光素子を製造することが本発明の第二の
観点であり、半絶縁性GaAs基板上にn⁺形GaAsの第一の半
導体層とn^-形GaAsの第二の半導体層とを成長させ、第二
の半導体層上にショットキー電極を形成する受光素子の
製造方法において、Siのイオン注入により第二の半導体
層から第一の半導体層に至る高不純物濃度領域を形成
し、Ｈのイオン注入により高不純物濃度領域から基板に
至る高抵抗領域を形成し、高不純物濃度領域に第一の半
導体層とオーミック接続されるオーミック電極を形成す
る。

本発明の第三の観点はPINフォトダイオードであり、
基板上に形成されたｐまたはｎ形の第一の半導体層と、
この第一の半導体層の上に形成された実質的にイントリ
ンシックな第二の半導体層と、この第二の半導体層の上
に第一の半導体層と逆の導電型で形成された第三の半導
体層と、第一の半導体層と第三の半導体層とにそれぞれ
接続された第一の電極および第二の電極とを備え、第三
の半導体層は第二の半導体層に不純物を拡散して得られ
た層であり、第二の半導体層には第一の半導体層と同じ
導電型で第二の半導体層の表面から第一の半導体層に至
る高不純物濃度領域が設けられ、第一の電極と第二の電
極とは実質的に同一の平面内に形成された受光素子にお
いて、高不純物濃度領域のうちオーミック電極が設けら
れていない領域に、表面から基板に至る高抵抗領域を備
えたことを特徴とする。

基板として半絶縁性GaAs基板を用い、第一の半導体層
としてn⁺形GaAs層を用い、第二の半導体層としてn^-形Ga
As層を用い、第三の半導体層としてp⁺形GaAs層を用いる
ことができる。

本発明の第四の観点はこのPINフォトダイオードの製
造方法であり、半絶縁性GaAs基板上にn⁺形GaAsの第一の
半導体層とn^-形GaAsの第二の半導体層とを成長させ、第
二の半導体層の表面にp⁺形GaAsの第三の半導体層を形成
し、この第三の半導体層上にｐ側オーミック電極を形成
する受光素子の製造方法において、Siのイオン注入によ
り第二の半導体層から第一の半導体層に至る高不純物濃
度領域を形成し、Ｈのイオン注入により高不純物濃度領
域から基板に至る高抵抗領域を形成し、高不純物濃度領
域に第一の半導体層とオーミック接続されるｎ側オーミ
ック電極を形成し、第三の半導体層を形成するときに
は、第二の半導体層にZnイオンを注入することを特徴と
する。

本明細書において「上」とは、基板からのエピタキシ
ャル成長の方向をいう。また、「イントリンシック」と
は、実質的に真性半導体として取り扱うことができる程
度に不純物濃度が低いことをいう。

〔作用〕

低不純物濃度の半導体層にSi、Zn、Ｈなどをイオン注
入して、それぞれn⁺層、p⁺層および高抵抗層を形成す
る。これにより、表面を平坦に保ちながら受光素子を製
造できる。受光素子の周辺に凹凸ができないため、微細
素子の製造が容易になり、受光素子の静電容量を小さく
することができる。また、高抵抗層を形成することによ
り、素子を絶縁分離するとともに、静電容量を小さくす
ることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例受光素子の断面図を示し、
第２図は斜視図を示す。第１図は第２図のＡ−Ａに沿っ
た断面図である。

この実施例は、本発明をショットキーフォトダイオー
ドに実施したものであり、基板として半絶縁性GaAs基板
１を用い、この基板上に形成された第一の半導体層とし
てn⁺形GaAs層２を備え、このn⁺形GaAs層２の上にこの層
より低不純物濃度で形成された第二の半導体層としてn^-
形GaAs層３を備え、このn^-形GaAs層３との間にショット
キー接合を形成するショットキー電極４と、n⁺形GaAs層
２にオーミックに接続されたオーミック電極５とを備え
る。

ここで本実施例の特徴とするところは、n^-形GaAs層３
にはオーミック電極５とn⁺形GaAs層２とを電気的に接続
する高不純物濃度領域６が設けられ、オーミック電極５
がショットキー電極４と実質的に同一の面内に形成され
たことにある。さらに、高不純物濃度領域６のうちオー
ミック電極が設けられていない領域には、表面から半絶
縁性GaAs基板１に至る高抵抗領域７を備える。

ショットキー電極４を透過した入射光は、n^-形GaAs層
３で吸収される。このとき、ショットキー接合により形
成された空乏層付近で発生した電子と正孔とが、電界に
よって分解され、それぞれ逆方向にドリフトし、オーミ
ック電極５とショットキー電極４とにより光電流として
取り出される。

ここで、ショットキーフォトダイオードの動作の高速
性を向上させるには、素子自身のもつ静電容量をできる
だけ小さくすればよい。この静電容量は主に二つの原因
によって生じる。第一はショットキー接合により形成さ
れる空乏層を誘電体としたコンデンサの静電容量であ
り、第二は電極パッドなどの容量である 空乏層による静電容量を小さくするためには、空乏層
を厚くするか、接合の面積を小さくすればよい。しか
し、空乏層の厚さについては、電子と正孔との走行時間
によりその最大値が制限される。このため、静電容量を
小さくするには、素子の接合面積を小さくする必要があ
り、微細化技術が要求される。例えば遮断周波数30GHz
を越えるような素子の構造プロセスでは、パターニング
のアラインメント・マージンが約１μｍとなる。

本発明の受光素子では、パターニング表面は製造プロ
セスの最後までほとんど平坦である。このため、従来例
で示したような段差のある素子と比べ、微細なパターニ
ングが可能となる。

また、電極パッドなどの容量については、受光部分や
オーミック電極部分以外をＨ注入によって高抵抗化して
いるため、非常に小さくなる。

第３図はこの実施例素子の製造方法を示す。

まず、第３図（ａ）に示すように、半絶縁性GaAs基板
１に、キャリア濃度約３×10¹⁸cm^-3のn⁺形GaAs層２と、
キャリア濃度約５×10¹⁵cm^-3のn^-形GaAs層３とをエピタ
キシャル成長させる。

次に、第３図（ｂ）に示すように、受光領域（ショッ
トキー接合が形成される領域）に注入マスク10を設け、
それ以外の部分に、表面からn⁺形GaAs層２の上部まで分
布するようにSiを注入する。さらに、注入マスク10を剥
離した後にSi活性化処理を行って、n⁺形GaAsの高不純物
濃度領域６を形成する。

続いて、第３図（ｃ）に示すように、注入マスク11に
より、Siを注入した領域のうちオーミック電極５を形成
しようとする領域以外の部分に、Ｈを注入する。これに
よりn⁺形GaAs層２およびn^-形GaAs層３を高抵抗化し、素
子の静電容量の削減と絶縁分離とを行う。

この後に、第３図（ｄ）に示すように、ｎ形のオーミ
ック電極５を形成する。さらに、第３図（ｅ）に示すよ
うに、ショットキー電極４を形成する。

第４図は本発明第二実施例の受光素子の断面図を示
し、第５図は斜視図を示す。第４図は第５図のＢ−Ｂに
沿った断面図である。

この実施例は本発明をPINフォトダイオードに実施し
たものであり、基板として半絶縁性GaAs基板１を用い、
この基板上に形成されたｐまたはｎ形の第一の半導体層
としてn⁺形GaAs層２を備え、このn⁺形GaAs層２の上に形
成された実質的にイントリンシックな第二の半導体層と
してn^-形GaAs層３を備え、このn^-形GaAs層３の上に第三
の半導体層としてp⁺形GaAs層８を備え、n⁺形GaAs層２と
p⁺形GaAs層８とにそれぞれ接続された第一の電極および
第二の電極としてオーミック電極５および９を備える。

ここで本実施例の特徴とするところは、p⁺形GaAs層８
はn^-形GaAs層３に不純物を拡散して得られた層であり、
n^-形GaAs層３にはｐ形でこの層を貫通する高不純物濃度
領域６が設けられ、オーミック電極５、９は実質的に同
一の面内に形成されたことにある。さらに、高不純物濃
度領域６のうちオーミック電極５が設けられていない領
域には、表面から絶縁性GaAs基板１に至る高抵抗領域７
を備える。

第６図は第二実施例の受光素子の製造方法を示す。

この製造方法では、第６図（ｂ）に示す工程で、注入
マスク12を用いてZnを注入することが第３図に示した方
法と異なる。この工程により、表面から数十〜数百nmの
深さ（n⁺形GaAs層３に達しない深さ）までZnを選択的に
注入し、p⁺形GaAs層８を形成する。

この素子の場合にも、Si、Ｈ注入により静電容量を非
常に小さくすることができる。また、Zn注入のドーズ量
を増やしてp⁺形GaAs層８のキャリア濃度を高くすれば、
高速動作する素子で問題となるｐ形オーミック電極９の
接触抵抗を下げることができ、高速動作性を向上させる
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の受光素子は、電極形成
で生じる段差以上の段差はできず、製造プロセス中のパ
ターンニングを表面が平坦な状態で行なえる。そのた
め、１μｍ程度のパターン幅でも比較的容易にパターニ
ングできる。また、接合部分以外の規制容量が発生しに
くい構造となっているため、遮断周波数が30GHzを越え
るような受光素子も比較的容易に製造できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例受光素子の断面図。 第２図は斜視図。 第３図は製造方法を示す図。 第４図は本発明第二実施例受光素子の断面図。 第５図は斜視図。 第６図は製造方法を示す図。 第７図は従来例ショットキーフォトダイオードの斜視
図。 第８図は断面図。 第９図は従来例PIN形フォトダイオードの断面図。 １、21、31……半絶縁性GaAs基板、２、22、32……n⁺形
GaAs層、３、23……n^-形GaAs層、４……ショットキー電
極、５、９、25、36、37……オーミック電極、６……高
不純物濃度領域、７、38……高抵抗領域、８……p⁺形Ga
As層、10、11、12……注入マスク、24……半透明ショッ
トキー電極、26……誘導体膜、33……ｎ形GaAs層、34…
…イントリンシックGaAs層、35……ｐ形GaAs層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関口 陽一 東京都武蔵野市中町２丁目11番13号 光 計測技術開発株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−177684（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−299163（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板（１）上に形成された第一の半導体層
   （２）と、 この第一の半導体層の上にこの層より低不純物濃度で形
   成された第二の半導体層（３）と、 この第二の半導体層との間にショットキー接合を形成す
   るショットキー電極（４）と、 前記第一の半導体層にオーミックに接続されたオーミッ
   ク電極（５）と を備えた受光素子において、 上記第二の半導体層には上記オーミック電極と上記第一
   の半導体層とを電気的に接続する高不純物濃度領域
   （６）が設けられ、 上記オーミック電極は上記ショットキー電極と実質的に
   同一の平面内に形成された ことを特徴とする受光素子。
2. 【請求項２】基板は半絶縁性GaAs基板を含み、 第一の半導体層はn⁺形GaAs層を含み、 第二の半導体層はn^-形GaAs層を含む 請求項１記載の受光素子。
3. 【請求項３】高不純物濃度領域のうちオーミック電極が
   設けられていない領域に、表面から基板に至る高抵抗領
   域を備えた請求項１または２に記載の受光素子。
4. 【請求項４】半絶縁性GaAs基板（１）上にn⁺形GaAsの第
   一の半導体層（２）とn^-形GaAsの第二の半導体層（３）
   とを成長させる工程と、 前記第二の半導体層上にショットキー電極（４）を形成
   する工程と、 を含む受光素子の製造方法において、 Siのイオン注入により上記第二の半導体層から上記第一
   の半導体層に至る高不純物濃度領域（６）を形成する工
   程と、 Ｈのイオン注入により上記高不純物濃度領域から基板に
   至る高抵抗領域（７）を形成する工程と、 上記高不純物濃度領域に上記第一の半導体層とオーミッ
   ク接続されるオーミック電極（５）を形成する工程と を含むことを特徴とする受光素子の製造方法。
5. 【請求項５】基板（１）上に形成されたｎ形の第一の半
   導体層（２）と、 この第一の半導体層の上に形成された実質的にイントリ
   ンシックな第二の半導体層（３）と、 この第二の半導体層の上に形成されたｐ形の第三の半導
   体層（８）と、 上記第一の半導体層と上記第三の半導体層とにそれぞれ
   接続された第一の電極（５）および第二の電極（９）と を備え、 上記第三の半導体層は上記第二の半導体層に不純物を拡
   散して得られた層であり、 上記第二の半導体層には上記第一の半導体層と同じ導電
   型で上記第二の半導体層の表面から上記第一の半導体層
   に至る高不純物濃度領域（６）が設けられ、 上記第一の電極と上記第二の電極とは実質的に同一の平
   面内に形成された 受光素子において、 上記高不純物濃度領域のうちオーミック電極が設けられ
   ていない領域に、表面から基板に至る高抵抗領域（７）
   を備えた ことを特徴とする受光素子。
6. 【請求項６】基板は半絶縁性GaAs基板を含み、 第一の半導体層はn⁺形GaAs層を含み、 第二の半導体層はn^-形GaAs層を含み、 第三の半導体層はp⁺形GaAs層を含む 請求項５記載の受光素子。
7. 【請求項７】半絶縁性GaAs基板（１）上にn⁺形GaAsの第
   一の半導体層（２）とn^-形GaAsの第二の半導体層（３）
   とを成長させる成長工程と、 前記第二の半導体層の表面にp⁺形GaAsの第三の半導体層
   （８）を形成するｐ層形成工程と、 この第三の半導体層上にｐ側オーミック電極（９）を形
   成する工程と、 を含む受光素子の製造方法において、 Siのイオン注入により上記第二の半導体層から上記第一
   の半導体層に至る高不純物濃度領域（６）を形成する工
   程と、 Ｈのイオン注入により上記高不純物濃度領域から基板に
   至る高抵抗領域（７）を形成する工程と、 上記高不純物濃度領域に上記第一の半導体層とオーミッ
   ク接続されるｎ側オーミック電極（５）を形成する工程
   と を含み、 上記ｐ層形成工程は上記第二の半導体層にZnイオンを注
   入する工程を含む ことを特徴とする受光素子の製造方法。