JPH03276769A

JPH03276769A - 半導体受光装置

Info

Publication number: JPH03276769A
Application number: JP2077582A
Authority: JP
Inventors: Akira Hattori; 亮服部; Misao Hironaka; 美佐夫廣中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1991-12-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、半導体受光装置に関するものてあり、特に
入射光信号に対する高速応答か可能て、しかも暗電流の
小さいフォトダイオード（　Ｐｈｏｔｏ−Ｄｉｏｄｅ：
以下てはＰＤと略称する）に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は従来のＩｎＧａＡｓプレーナ型ＰＤの代表的な
構造例を示す断面図で、ｎ＋型（以下ｎ＋−と称す）　
ＩｎＰ基板（１）の一方の面上には、ｎ型（以下、ｎ−
と称す）　ＩｎＰｎツバ９フフ（以下ｎ−一と称す）　
ＩｎＧａＡｓ光吸収層（３）　、　ｎ−ＩｎＰ窓層（４
）かこの順序て層状に形成されている。ｎ−−１ｎＰ窓
層（４）の表面の一部から例えばＺｎなどのｐ型不純物
を拡散して導電型が反転された領域、すなわちｐ″″″
領域）か形成されており、その最下部はｎ　−　−　１
ｎＧａＡｓ光吸収層（３）に達している。（３ａ）はＰ
ｎ接合に伴って形成された空乏層て、点線の（１２）は
上記空乏層（３ａ）の空乏層フロントを示し、この場合
は、この空乏層フロント（１２）かＰ′″領域（５）と
ｎ−−１ｎＰ窓層（４）およびｎ−　−　１ｎＧａＡｓ
光吸収層（３）との間の実質的なＰｎ接合部となる。

ｎ−−１ｎＰ窓層（４）上には、少なくとも受光領域（
１１）か形成される部分を除いて例えばプラズマＣＶＤ
なとの方法てシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などの表面保護
用絶縁膜（６）か形成されている。絶縁…り（６）の上
記受光領域（１１）が形成される開口部分にはｐ÷債域
（５）にオーミック接触するｐ側電極（７）か形成され
ている。絶縁膜（６）上にはまた上記ｐ側電極（７）と
電気的に絶縁されるように間隙（９）をおいて金属遮光
膜（８）が形成されている。

ｎ◆−１ｎＰ基板（１）の他方の面にはｎ側電極（１０
）か該基板（１）にオーミック接触して形成されている
。

上記のようなプレーナ型ＰＤにおいて、受光領域（１１
）から入射した光は窓層（４）を通過して、光吸収層（
３）の特に空乏層（３ａ）てその大部分が吸収される。

空乏層（３ａ）における光吸収により発生した黒点て示
すキャリア（３１）は、空乏層（３ａ）中の空間電界に
より加速され、入射光信号に対して極めて速く応答する
ドリフト電流成分として、電極（７）と（ｌＯ）との間
の受光検出電気信号として検出される。

一方、受光領域（１１）以外の例えば間隙（９）から入
射した光は空乏層（３ａ）以外の光吸収層（３）て吸収
され、それによって白点て示すようなキャリア（３２）
か発生する。このキャリア（３２）は拡散によってｐｎ
接合部である空乏層フロント（１２）に辿りつき、拡散
電流成分として検出される。ところて、拡散電流成分は
光励起されたキャリア（３２）の空間的密度勾配により
生じるため、一般にドリフト電流成分に比してその移動
がはるかに遅く、入射光信号に対する応答速度を低下さ
せる原因となる。

第３図に示す従来のプレーナ型ＰＤの上記のような欠点
、すなわち入射光信号に対する応答速度か遅いという欠
点を解消したＰＤとして、例えば特開昭５５−　１４０
２７５号公報に記載されたものがある。第４図は上記公
報に記載されたＰＤの主要部の構造を示す断ｍ１図であ
る。同図て、第３図と同等部分には同じ参照番号を付し
て説明を省略する。第３図のＰＤと同様に絶縁膜（６）
の受光領域（１１）か形成される開口部分にはｐ十領域
（５）にオーミック接触するｐ側電極（７１）か形成さ
れている。絶縁膜（６）およびｐ側電極（７１）上には
リン酸ガラス（ＰＳＧ）等の絶縁膜（２１）が形成され
、該絶縁膜（２１）上には金属遮光膜（２２）か形成さ
れている。絶縁膜（２１）および金属遮光膜（２２）に
は上記ワイヤボンディング領域の開口（２３）か形成さ
れている。ｐ側電極（７１）の一部は上記ワイヤボンデ
ィング領域の開口（２３）を越えて伸びて延長部（７２
）を構成しており、上記開口（２３）においてｐ側電極
（７１）の上記延長部’（７２）に接続される接続用ワ
イヤがボンディングされる。

第４図に示す構造のプレーナ型ＰＤては、ボンデインク
領域の開口（２３）はｐ側電極（７１）の延長部（７２
）で覆われているのて、完全に遮光され、受光領域（１
１）のみから入射した光が窓層（４）を通過して光吸収
層（３）の空乏層（３ａ）に達して、実質的にドリフト
電流成分に寄与するキャリア（３１）か発生する。従っ
て、空乏層（３ａ）以外の光吸収層（３）てキャリアが
発生するのが防止され、拡散電流成分は実質的に存在し
ないので、拡散電流成分に起因する応答速度の低下を防
ぐことかできる。

〔発明が解決しようとする課題〕

第４図に示すプレーナ型ＰＤは拡散電流成分による応答
速度の低下を防止することは出来るか、電極（７１）に
よる寄生容量が゛応答特性に大きな影響を与えるように
なる。電極（７１）による寄生容量を小さくするために
絶縁膜（６）をあまり厚くすると、層間ストレス等によ
る膜割れか生ずる可能性かあり、また、下地のＩｎＰ結
晶との接触部における段差か大きくなって、電極（７１
）の前記段差の部分て電極メタルか局部的に薄くなって
、この部分て断線か発生し易くなる。このため、寄生容
量を小さくすることによる応答特性の改善には限界かあ
った。

また、拡散等によって形成される拡散フロントおよびｐ
ｎ接合のうち、窓層（４）の表面に現われる部分ては、
絶縁膜（６）との接合面の界面状態により、界面準位に
よる電流リーク成分か大きく左右され、これがＰＤの特
性に重要な影響を与える暗電流の大部分を決定するため
、絶縁膜（６）の形成条件により、ＰＤ全全体特性か大
きく左右されるという問題かあった。

この発明は、従来のＰＤに見られた上記のような問題を
解消することを目的としだものて、受光領域以外の領域
からの所謂迷光を完全に遮光し、且つ寄生容量を低減す
ることにより入射光信号に対する応答速度を高速化する
と共に、暗電流特性か改善されたＰＤを得ることを目的
としたものである。

（課題を解決するための手段）この発明による半導体受光装置は、一方の面上に電極か
形成された第１の導電型のＩｎＰ基板の他方の面上に直
接あるいは第１の導電型のＩｎＰｎシバ９フフのＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰからなる光吸収
層と、該光吸収層上に積層して形成された第１の導電型
のＩｎＰ窓層と、該窓層の少なくとも一部の領域にその
表面から上記光吸収層に達するＩｎＰ窓層と、該窓層の
導電型の導電型反転領域と、該導電型反転領域の表面お
よび上記窓層の表面を覆って形成された絶縁性もしくは
第１の導電型の半絶縁性ＩｎＰ光透過性キャップ層とを
具備している。また上記光透過性キャップ層には上記導
電型反転領域の電流取出し領域に達する貫通孔が形成さ
れており、該貫通孔を埋めるように上記導電型反転領域
の電流取出し領域に接触する導電性埋込み部を形成し、
上記光透過性キャップ層の表面てあって、上記導電型反
転領域に対する受光領域を除く表面に一端が上記導電性
埋込み部に接触し、他端にワイヤボンデインク部を形成
するコンタクト層を形成し、上記ワイヤボンデインク部
を除く全表導電性埋込み部に接触し、上記ワイヤボンデ
ィング部にワイヤボンデインク・パット用のオーミック
電極を形成し、さらに上記受光領域を除く上記光透過性
絶縁膜の全面に上記オーミック電極と電気的絶縁を保っ
て迷光遮光用メタル・バックを形成して構成されている
。

〔作　用〕

この発明の半導体受光装置は上記のように構成されてい
るのて、導電型反転領域と対向する受光領域以外の望城
の領域から上記導電型反転領域に入射する所謂迷光を完
全に遮断することかてきる。また、導電型反転領域の電
流取出し部を除く該導電型反転領域の表面および窓層の
表面は絶縁性もしくは半絶縁性のＴｎＰ光透過性キャッ
プて被覆されているので、導電型反転領域と窓層との間
のｐｎ接合は界面準位か低い上記１ｎＰ光透過性キヤツ
プ内に閉じ込められ、電流リークを小さくすることがて
きる。さらに、光透過性キャップを厚くしても、コンタ
クト層か段差を跨いて形成されることはないから、コン
タクト層の層厚変化や段切れ等に帰因する断線が生ずる
心配かなく、従って、寄生容量を小さくするために上記
光透過性キャップ層の層厚を自由に設定することかてき
る。

（実施例）以下、第１図および第２図を参照して、この発明の半導
体受光装置、特にＰＤについて説明する。この発明のＰ
Ｄは、第３図に示す従来のＰＤと同様に、ｎ”−１ｎＰ
基板（１）の一方の面にはｎ−１ｎＰバッファ層（２）
　、　ｎ　−　−１ｎＧａＡｓまたはｎ−ＩｎＧａＡｓ
Ｐからなる光吸収層（３）　、　ｎ−　−１ｎＰ窓層（
４）かこの順序で積層して形成されている。

また、基板（１）の他方の面には例えばＡｕＧｅ共晶半
田を用いてＡｕからなるｎ側電極（１０）か形成されて
いる。ｎ−−ｒｎＰ窓層（４）の表面の一部から例えば
Ｚｎなとのｐ型不純物を拡散して、上記窓層（４）を貫
通して光吸収層（３）に達する導電型が反転したｐ″″
″領域）か形成されている。点線（１２）は導電型反転
ｐ′″領域（５）とｎ−−ＩｎＰ窓層（４）およびｎ　
−−１ｎＧａＡｓまたはｎ　−−１ｎＧａＡｓＰ光吸収
層（３）との間の実質的なｐｎ接合部となる空乏層フロ
ントを示す。（３ａ）は空乏層である。

窓層（４）中にＺｎを拡散して導電型反転領域（５）を
形成した後、ウェハ上に例えばＦｅかトープされた絶縁
性もしくは半絶縁性（ｎ−型）のＩｎＰ結晶からなる光
透過性キャップ層（３０）をエピタキシャル形成する。

光透過性キャップ層（３０）には導電型反転領域（５）
の電流取出し領域に達する貫通孔（３１）が形成されて
いる。貫通孔（３１）は第２図の平面図に示すように、
上記導電型反転領域（５）の周辺部に達するリンク溝状
に形成されている。この溝状貫通孔（３１）内には例え
ばｐ″″−１ｎＧａＡｓからなる導電性埋込み部（３２
）がエピタキシャル形成され、上記電流取出し領域に電
気的に接触している。光透過性キャップ層（３０）の表
面には上記導電１性埋込み部（３２）のエピタキシャル形成と同時にｐ″
″−１ｎＧａＡｓ層がエピタキシャル形成され、該ｐ“
−ｒｎＧａＡｓ層をエツチングによりパターニングして
、一端か上記導電性埋込み部（３２）に接触し、他端に
ワイヤボンディング部（３４）を形成するコンタクト層
（３３）が形成されている。導電性埋込み部（３２）、
コンタクト層（３３）およびワイヤボンディング部（３
４）は、上記のＰ　’　−ｒｎＧａＡｓの他にｐ”Ｉｎ
Ｐ、　Ｐ　”　−［ｎＧａＡｓＰて形成されてもよい。

次に、コンタクト層（３３）、ワイヤボンデインク部（
３４）、および露出したＩｎＰ結晶からなる光透過性キ
ャップ層（３０）の全面に例えばＳｉＮ絶縁膜（１６）
をＣＶＤ等の方法により形成し、しかる後、上記ワイヤ
ボンディング部（３４）のみを露出させる穴を開ける。

次に、全面に例えばＴｒ／ΔＵを蒸着やスパッタ等によ
り形成し、エツチング等てパターニングして、導電型反
転領域（５）に光が入射する受光領域（１１）を形成し
、且つワイヤボンディング部（３４）に電気的に接触す
るワイヤボンディング・バット部　２（１７）と、該ワイヤボンデインク・バット部（１７）
と電気的に絶縁された迷光、遮光用のメタル・マスク（
１８）を形成する。

なお、上記の実施例では、導電性埋込み部（３２）およ
びコンタクト層（３３）の双方をエピタキシャル形成し
たか、導電性埋込み部（３２）のみをエピタキシャル形
成し、コンタクト層（３３）を上記導電性埋込み部（３
２）にオーミック接触する金属パターンて形成してもよ
い。

〔発明の効果〕

この発明による半導体受光装置は次の（イ）乃至（功に
示すような効果かある。

（イ）ワイヤボンデインタ部（３４）とｎ−−ｒｎＰ窓
層（４）との間に生ずる容量Ｃは、Ｃ＝ε１・　　　　　　・・・・・・（１）て表わされ
る。こ＼て、Ｓはワイヤボンデインク部（３４）の面積
、ｄはＩｎＰ結晶からなる光透過性キャップ層（３０）
の層厚である。ＩｎＰ結晶の比誘電率ε”　＝１１．５
６、ｄ＝２ｇａ＋とすると、Ｃ，＝　５．７８ε。Ｓ・
・・・・・・・・・・・・（２）となる。

一方、第３図の従来の半導体受光装置て、ＳｉＮ絶縁膜
（６）の比誘電率ε”　＝３．６１．ｄ＝ｏ、２　ｐ、
ｍとすると、Ｃ２＝　１８．０５　ε。Ｓ・・・・・・・◆・・・・
・（３）となる。

（２）　、　（３）式から明らかなように、本発明の半
導体受光装置では、同じ面積のワイヤボンデインがてき
、入射光信号に対する応答特性を大幅に改善することが
てきる。

（ロ）導電型反転領域（５）と窓層（４）との間のｐｎ
接合面はすべて光透過性キャップ層（３０）を構成する
ＩｎＰ結晶内に閉じ込められている。そして、従来のよ
うにＳｉＮ絶縁膜（６）を形成する場合と同レベルの前
処理てＩｎＰ結晶光透過性キャップ層（３０）を形成し
た場合、ｎ−−１ｎＰ結晶からなる窓層（４）とＳｉＮ
絶縁膜（６）との界面に比べ、上記窓層（４）とＩｎＰ
結晶光透過性キャップ層（３０）との界面の方が界面準
位が低く、リーク電流か少ない安定した特性の半導体受
光装置か得られる。

（ハ）この発明の半導体受光装置ては、コンタクト層（
３３）は実質的に平坦て、従来の装置のように段差のあ
る部分を跨いて形成されることはないから、段差のある
部分て膜が薄くなって、その部分て電流密度か滑部的に
増大して発熱したり、断線するという心配は全くない。

（ニ）遮光用のメタル・マスク（１８）およびワイヤボ
ンデインク・バット部（１７）による遮光作用により、
受光領域（１１）以外の領域から入射する迷光は実質的
に遮光され、従って応答速度低下の原因となる拡散電流
成分は実質的に存在しないから、（イ）の効果と相俟っ
て応答特性を大幅に改善することかてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の半導体受光装置の一実施例の構造を
示す断面図であって、第２図Ａ−Ａ線に沿う断面図、第
２図は第１図の半導体受光装置をその受光面側から見た
平面図、第３図は従来の半導体受光装置の第１の例の構
造を示す断面図、第　５４図は従来の半導体受光装置の第２の例の構造を示す断
面図である。（１）・・・・ＩｎＰ基板、（２）・・・・ＩｎＰｎツ
バ９フフ（３ａ）・・・・空乏層、（４）・・・・Ｉｎ
Ｐ窓層、（５）・・・・導電型反転領域、（１０）・・
・・電極、（１１）・・・・受光領域、（１２）・・・
・空乏層フロント、（１６）・・・・絶縁膜、（１７）
・・・・ワイヤボンデインク・バット用オーミック電極
、（１８）・・・・遮光用のメタル・バック、（３０）
・・・・ＩｎＰ光透過性キャップ層、（３１）・・・・
貫通孔、（３２）・・・・導電性埋込み部、（３３）・
・・・コンタクト層、（３４）・・・・ワイヤボンデイ
ンク部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一方の面に電極か形成された第１の導電型のＩｎ
Ｐ基板の他方の面上に直接あるいは第１の導電型のＩｎ
Ｐバッファ層を介して積層して形成された第１の導電型
のＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰからなる光吸収
層と、該光吸収層上に積層して形成された第１の導電型
のＩｎＰ窓層と、該窓層の少なくとも一部の領域にその
表面から上記光吸収層に達する深さに形成された第２の
導電型の導電型反転領域と、該導電型反転領域の表面お
よび上記窓層の表面を覆って形成された絶縁性もしくは
第１の導電型の半絶縁性ＩｎＰ光透過性キャップ層とを
具備し、上記光透過性キャップ層には上記導電型反転領域の電流
取出し領域に達する貫通孔が形成されており、該貫通孔
を埋めるように上記導電型反転領域の電流取出し領域に
接触する導電性埋込み部を形成し、上記光透過性キャッ
プ層の表面であって、上記導電型反転領域に対する受光
領域を除く表面に一端が上記導電性埋込み部に接触し、
他端にワイヤボンディング部を形成するコンタクト層を
形成し、上記ワイヤボンディング部を除く全表面に光透
過性絶縁膜を形成し、上記ワイヤボンディング部にワイ
ヤボンディング・パッド用のオーミック電極を形成し、
さらに上記受光領域を除く上記光透過性絶縁膜の全面に
上記オーミック電極と電気的絶縁を保って迷光遮光用メ
タル・バックを形成して構成された半導体受光装置。