JPH0513798A - 半導体受光装置 - Google Patents

半導体受光装置

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JPH0513798A
JPH0513798A JP3160233A JP16023391A JPH0513798A JP H0513798 A JPH0513798 A JP H0513798A JP 3160233 A JP3160233 A JP 3160233A JP 16023391 A JP16023391 A JP 16023391A JP H0513798 A JPH0513798 A JP H0513798A
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conductivity type
layer
light
light absorption
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Misao Hironaka
美佐夫 廣中
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光吸収層の、空乏層の外側周辺部の領域で発
生するキャリアに起因する応答速度の低下を抑えて、入
射光の変化に対して急速に応答する光電流を発生させる
ことを目的とする。 【構成】 窓層を貫通して光吸収層中に達する深さに形
成された導電型反転領域と、該導電型反転領域の外側周
辺に該導電型反転領域を取り囲む形で、該導電型反転領
域の周辺に形成される空乏層の外側周辺部の光吸収層中
で発生した少数キャリアの寿命が上記空乏層の底部近傍
の光吸収層中の少数キャリアの寿命よりも著しく短くな
る短寿命領域を設けたことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、フォトダイオード(P
D)、アバランシェフォトダイオード(APD)等の半
導体受光装置に関するものであり、特に入射光に対する
応答速度が速い半導体受光装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図3は例えば昭和61年度電子通信学
会、総合全国大会予稿集978(4〜149頁)に記載
されている従来のInGaAsプレーナ型PDの平面
図、図4は図3のB−B線に沿う断面図である。図4
で、n+ 型(以下、n+ −と記す)InP基板1上にn
型(以下、n−と記す)InPバッファ層2、n-
(以下、n- −と記す)InGaAs光吸収層3、n-
−InP窓層4がこの順序で積層して形成され、n-
InP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5が形成されている。p+ 領域5の最下部はn-
InGaAs光吸収層3に達している。31は空乏層、
点線6は空乏層フロントで、該空乏層フロント6がp+
領域5とn- −InP窓層4およびn- −InGaAs
光吸収層3との間の実質的なPN接合として作用する。
【0003】n- −InP窓層4の上面で、受光領域1
0を除く部分には、例えばプラズマCVDなどの方法で
シリコン窒化膜(SiN)などの光に対して透明な表面
保護膜11が形成されている。受光領域10の周囲で、
表面保護膜11上にはp+ 領域5にオーミック接触する
p電極(アノード)12が形成されている。図3に示す
ように、p電極12の一部は外方に膨出してワイヤボン
ディング用の電極パッド13を構成しており、該電極パ
ッド13にアノードワイヤ14がボンディングされてい
る。図4に戻って、基板1の底面にはn電極(カソー
ド)15が形成されている。入射光16によって光吸収
層3中に電子17とホール18のペアが発生する。
【0004】次に、図3、図4に示す従来のフォトダイ
オードの動作を説明する。n+ −InP基板1上に結晶
成長され、格子定数がInPに整合したInGaAs光
吸収層3のバンドギャップ波長λgは約1.67μmで
あり、一方、InP窓層4のバンドギャップ波長λgは
約0.93μmである。よって、図3、図4のInGa
Asフォトダイオードの波長感度は、ほぼ1.0μm〜
1.6μm(λ≒1.0〜1.6μm)帯にある。そこ
で、入射光16の波長λが約1.3μmとして動作を説
明する。
【0005】フォトダイオードは一般に無バイアスまた
は逆バイアス状態で使用されるので、p電極12にはn
電極15の電位を基準として0Vまたは−5V〜−10
Vの負電圧が印加される。n- −InP窓層4のキャリ
ア濃度は1×1016cm-3程度であり、一方、n-−I
nGaAs光吸収層3のキャリア濃度は5×10-15
-3程度で、光吸収層3のキャリア濃度の方が窓層4の
キャリア濃度より小さいので、特に逆バイアス状態で
は、空乏層31は主として光吸収層3内に拡がる。
【0006】受光面にλ≒1.3μmの入射光16が入
射すると、この入射光はλg≒0.93μmのn- −I
nP窓層4では吸収されず、λg≒1.67μmのn-
−InGaAs光吸収層3で吸収され、該光吸収層3に
おいて電子17とホール18のペアが発生する。光吸収
層3中の空乏層31内で発生した電子17とホール18
のペアからなるキャリアは空乏層31内の電界によるド
リフト電流として電極12、15を経て取出されて、外
部回路で光電流として観測される。空乏層31外で発生
したホールのうち拡散により空乏層31に達したものは
上記のドリフト電流として取出される。そこで、n-
InGaAs光吸収層3のキャリア濃度を下げて空乏層
31の幅を広くするとドリフト電流に寄するキャリアの
割合が大きくなって光電流が大きくなり、感度を向上さ
せることができる。同時にブレークダウン電圧を高くす
ることができる。さらに、表面保護膜11の膜厚t、屈
折率nを、n- −InP窓層4の屈折率ns 、真空中の
屈折率no 、および入射光40の波長λに対して数1、
数2が満足するように選定することにより、反射率が
0、すなわち透過率が100%の表面保護膜(所謂AR
コート膜)とすることがある。ARコート膜からなる表
面保護膜を設けることにより、40%程度感度を向上さ
せることができる。
【数1】
【数2】
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記のような構造のI
nGaAsプレーナ型フォトダイオードでは入射光16
が当該フォトダイオードのチップ全面に拡がり、このた
め空乏層31以外の領域に入射した光によっても電子1
7とホール18とのペアが発生する。このうち、拡散に
より空乏層31に到達したホールは光電流として取出さ
れるが、ドリフトに比べて拡散速度は著しく遅いため、
空乏層31内またはその近傍で発生したキャリアに比し
て光電流として外部回路で観察される時間に遅れが生ず
る。図5はパルス状入射光16を示し、図6はパルス状
入射光16の強度の時間的変化に対する光電流の応答波
形を示す。図5に示すように、入射光16はt1 で立ち
上がり、t2 よりtf1の時間経過して立ち下がるような
時間的変化を示すパルス状波形をもつものとすると、外
部回路で観測される光電流は図6の波形20で示すよう
に、t2 からtf1より長いtf2経過して低下する応答特
性を示す。このように、上述の従来のInGaAsプレ
ーナ型フォトダイオードは高速で変化する入射光に高速
に応答できないという問題がある。
【0008】入射光に対する光電流の応答特性を改善し
たフォトダイオードとして以下に示すようなものがあ
る。
【0009】 特開平1−161778号公報の第1
図に示されているフォトダイオード。 同図に示されているフォトダイオードはp+ 拡散領域の
近傍のPN接合の外側の窓層および光吸収層を除去した
もので、p+ 拡散領域により形成された接合部の外側に
は光吸収によるキャリアは存在しないので、拡散によっ
て空乏層に到達するホールによる光電流は存在しないか
ら、入射光に対する光電流の応答特性は改善される。し
かし、同公報記載のフォトダイオードは、PN接合外側
の窓層および光吸収層をエッチングにより完全に除去す
る必要があり、エッチングに時間がかかり、また、エッ
チングにより段差が出来た部分に保護膜や配線用リード
線を設ける必要があり、所謂ステップカバリッジに起因
する保護膜の欠陥や、断線が生じ易いという欠点があ
る。
【0010】 特開平2−214171号公報の第1
図に示されている半導体受光装置。 この半導体受光装置は、受光部のp+ 拡散領域をとり囲
んでリング状のフローティングp+ 領域を設け、該フロ
ーティングp+領域による空乏層の電界によって応答速
度の遅れの原因となる拡散キャリアの移動を阻止したも
のである。この半導体受光装置は、フローティングp+
領域を所望の深さ、所望の厚みとなるようにZn等の不
純物を拡散するのが困難で、応答速度の遅れの原因とな
る拡散キャリアの阻止作用が不充分であるという問題が
ある。
【0011】 特開平2−240974号公報の第1
図に示されている半導体受光素子。 この半導体受光装素子は、受光領域の周囲にHRコー
ト、光吸収領域およびARコートを順次形成して、受光
領域以外から光が結晶内部に進入するのを阻止したもの
である。この半導体受光素子は、受光領域の周囲の構造
中、特にHRコート上に結晶性の光吸収領域を形成する
のが困難であり、製造が著しく困難であるという問題が
ある。
【0012】 特開平1−310579号の第1図に
示されている半導体受光装置。 この半導体受光装置は、n+ −InP基板中に形成され
た溝中にInGaAs光吸収層を形成し、該光吸収層お
よび光吸収層の周囲の基板の表面部にp+ 拡散領域を形
成したものである。この半導体受光装置は、溝中に形成
される光吸収層の結晶性に問題があり、空乏層の拡がり
は光吸収層全体を覆うもので、受光領域以外の領域から
進入した光に起因する電流の割合が大きくなるという問
題がある。
【0013】 特開平2−291180号公報の第1
図に示されているフォトダイオード。 このフォトダイオードは、基板のp+ 領域周辺に高濃度
領域を形成したものであるが、基板p+ 領域との間のP
N接合の最大電界強度が高濃度部で大きくなるため、耐
圧が低下し、表面のリーク電流が大きくなる問題があ
る。
【0014】 特開平1−205477号公報の第1
図に示されているフォトダイオード。 このフォトダイオードは、受光部の周辺に光吸収層や窓
層の導電形式と逆のp+ の高不純物濃度領域を形成して
構成されている。しかし、上記p+ 高不純物濃度領域は
表面リーク電流を抑えることを目的としたもので、応答
速度の遅れの原因となる拡散電流が外部回路で観察され
るのを阻止することを目的としたものではなく、入射光
の変化に対する応答速度は速くならないという問題があ
る。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
従来の半導体受光装置あるいはフォトダイオードに見ら
れた問題点を解消することを目的としたもので、窓層を
貫通して光吸収層に達する深さに形成された導電型反転
領域と、該導電型反転領域の外側の周囲に該導電型反転
領域を取り囲む形で、該導電型反転領域の外側周辺部の
光吸収層中で発生した少数キャリアの寿命が上記導電型
反転領域の低部近傍の光吸収層中の少数キャリアの寿命
に比べて著しく短くなるようにした領域(以下、短寿命
領域)を設けたものである。
【0016】
【作用】本発明の半導体受光装置では、導電型反転領域
上の受光領域以外から入射した光により空乏層の外側周
辺部の光吸収層中で生じた少数キャリアは短寿命領域中
で多数キャリアと速やかに再結合するため寿命が著しく
短くなる。このため、少数キャリアの拡散長をL、拡散
定数をD、寿命をτとすると、拡散長Lは数3に示すよ
うに著しく短くなり、このため空乏層の外側周辺部の光
吸収層中で生じた少数キャリアは光電流に寄与しなくな
り、応答電流波形のいわゆるすそ引きがなくなり、高速
動作が可能になる。
【数3】
【0017】
【実施例】図1は本発明のInGaAsプレーナ型PD
の一実施例の平面図、図2は図1のA−A線に沿う断面
図である。図1、図2において、n+ −InP基板41
上にn−InPバッファ層42、n- −InGaAs光
吸収層43、n- −InP窓層44がこの順序で積層し
て形成されている。n- −InP窓層44の表面の受光
領域50が形成される部分から例えばZnなどのp型不
純物を拡散して導電型が反転されたp+ 領域45が形成
されている。p+ 領域45の最下部はn- −InGaA
s光吸収層43に達している。51は空乏層、点線46
は空乏層フロントで、該空乏層フロント46がp+ 領域
45とn- −InP窓層44およびn- −InGaAs
光吸収層43との間の実質的なPN接合として作用す
る。空乏層51の外側周辺部で窓層44、光吸収層43
中には、例えば、Si、Te、S、Se、Sn等のn型
不純物の拡散による方法や、プロトン注入等のインプラ
ンテーションによる方法によって、少数キャリア、この
場合はホールの寿命が通常のアンドープInGaAsに
おけるホールの寿命に比べて10-2乃至10-8倍程度に
短くなるようにしたホール短寿命領域60が形成されて
いる。図1の点線の円62は短寿命領域60の内側境界
線を示す。また、従来のフォトダイオードと同様にプラ
ズマCVDなどの方法でSiNなどの光に対して透明な
表面保護膜61が形成されている。表面保護膜61は入
射光66に対してARコート膜仕様となるように前記数
1、数2に従って膜厚t、屈折率nが選定されている。
【0018】受光領域50の周囲の表面保護膜61上に
はp+ 領域45にオーミック接触するp電極(アノー
ド)52が形成されている。図1に示すように、p電極
52の一部は外方に膨出してワイヤボンディング用の電
極パッド53を構成しており、該電極パッド53にアノ
ードワイヤ54がボンディングされている。図2で、基
板41の底面にはn電極(カソード)55が形成されて
いる。入射光66によって光吸収層43中に電子57と
ホール58のペアが発生する。
【0019】図1、図2に示す本発明のフォトダイオー
ドにおいて、一例として基板41のキャリア濃度は1×
1018〜5×1018cm-3、バッファ層42のキャリア
濃度は1×1016〜5×1015cm-3、光吸収層43の
短寿命領域60を除く部分のキャリア濃度は1×1015
〜1×1016cm-3、好ましくは5×1015cm-3
度、窓層44の短寿命領域60を除く部分のキャリア濃
度は1×1015〜1×1016cm-3であるとする。ま
た、p+ 領域45のキャリア濃度は1×1018〜1×1
19cm-3、短寿命領域60のキャリア濃度は1×10
18〜1×1019cm-3とされている。これらの各層、各
領域のキャリア濃度は単なる一例であって、入射光の波
長やフォトダイオード自体の目的とする特性によって変
更されることは言う迄もない。
【0020】次に、本発明のフォトダイオードの動作を
説明する。図3、図4に示す従来のフォトダイオードと
同様に、n- −InGaAs光吸収層43のバンドギャ
ップ波長λgは約1.67μm、n- −InP窓層44
のバンドギャップ波長λgは約0.93μmで、本発明
のInGaAsフォトダイオードの波長感度は1.0μ
m〜1.6μmの帯域内にある。そこで、入射光66の
波長λは約1.3μmであるとする。
【0021】従来のフォトダイオードに関して説明した
ように、図1、図2に示す本発明のフォトダイオードに
おいても、p電極61にはn電極55の電位を基準とし
て0Vまたは−5V〜−10Vの負電圧が印加される。
この状態で1.3μmの波長をもった光が受光領域50
を含むフォトダイオード全体に入射すると、この光はλ
g≒0.93μmの窓層44では吸収されず、λg≒
1.67μmの光吸収層43で吸収されて、該光吸収層
43中で電子57とホール58のペアが発生する。p+
領域45の下の空乏層51内で発生した電子57とホー
ル58のペアからなるキャリアは空乏層51内の電界に
よるドリフト電流として電極52、55を経て取出され
て、外部回路で観察される。空乏層51外で発生したキ
ャリアのうち、p+ 領域45の下の光吸収層43中で発
生したホールは拡散によって空乏層51に達し、同様に
ドリフト電流として取出される。p+ 領域45の下の空
乏層外の光吸収層43中で発生した上記ホールが空乏層
51に達するまでの拡散距離が比較的短く、このためこ
のホールによる応答速度の遅れは殆ど問題にならない。
【0022】一方、受光領域50外に入射した光により
空乏層51外の光吸収層43中で発生した電子67、ホ
ール68のペアのうち、特にホール68の寿命は短寿命
領域60の存在により短くなるため、空乏層51に到達
するホールの数は殆どないか、空乏層51に到達したホ
ールも短い拡散長内で発生したものに限られ、外部回路
で観察される光電流のうち応答速度の遅れの原因となる
長距離の拡散キャリアによる電流成分は殆どない。よっ
て、入射光の変化に対して高速応答が可能になる。本発
明のフォトダイオードでは、表面保護膜61はARコー
トを使用しているため、表面保護膜61を通して100
%近い光が入射するが、前述の理由によりこの入射光に
より発生したホールの寿命は著しく短くなっているた
め、応答速度に遅れを生じさせることはない。同時に、
反射率が実質的に0%になるため、反射光によって光源
側に悪影響を与える心配もない。
【0023】
【発明の効果】以上のように、本発明の半導体受光装置
では、導電型反転領域45の外側に該導電型反転領域4
5をとり囲んで形成された短寿命領域60の作用によ
り、空乏層の外側に入射した光によるキャリアは短時間
で消滅するから、拡散によって上記空乏層に到達して時
間的に遅れた光電流を生じさせる原因となるキャリアは
殆ど存在せず、高速で変化する入射光に対しても高速応
答して、時間遅れのない光電流を取出すことができる。
また、本発明の半導体受光装置では、入射光束が受光領
域50に指向されている場合に、何らかの原因で上記入
射光束が受光領域50の中心に対して偏心して、受光領
域50以外の部分に光が入射し、そのため空乏層51の
外側の領域で大量のキャリアが発生しても、これによっ
て応答速度が低下することはない。よって、本発明の半
導体受光装置は、高速で変化する入射光に対しても応答
遅れのない光電流を取出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体受光装置の一実施例の平面図で
ある。
【図2】図1のA−A線に沿う縦断面図である。
【図3】従来の半導体受光装置の一例を示す平面図であ
る。
【図4】図3のB−B線に沿う縦断面図である。
【図5】半導体受光装置に入射されるパルス状に変化す
る入射光の一例を示す波形図である。
【図6】図5の入射光に応答して従来の半導体受光装置
が発生する光電流の波形を示す図である。
【符号の説明】
41 基板 42 バッファ層 43 光吸収層 44 窓層 45 導電型反転領域 50 受光領域 51 空乏層 52 p電極 60 短寿命領域 61 保護膜

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の導電型の半導体基板と、該基板上
    に設けられた第1の導電型の光吸収層と、該光吸収層上
    に積層して形成された該光吸収層よりもバンドギャップ
    が広い第1の導電型の窓層と、該窓層の表面から上記光
    吸収層に達するかもしくは該光吸収層まで数μm程度に
    接近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、該導電型反転領域上の受光領域が形成される領域
    上の少なくとも一部分の領域を除く上記窓層の表面に形
    成された入射光に対して実質的に透明な表面保護膜と、
    少なくとも上記光吸収層中であって、上記導電型反転領
    域の周囲を取り囲んで設けられた少数キャリアの寿命が
    上記導電型反転領域底部の光吸収層中の少数キャリアの
    寿命よりも著しく短くなるようにされた第1の導電型の
    短寿命領域と、上記表面保護膜上に上記導電型反転領域
    に電気的に接触して形成された一方の電極と、上記半導
    体基板の裏面にこれと電気的に接触して設けられた他方
    の電極とからなる半導体受光装置。
  2. 【請求項2】 第1の導電型のInP半導体基板と、該
    InP基板上に設けられた第1の導電型のInGaAs
    光吸収層と、該InGaAs光吸収層上に積層して形成
    された該光吸収層よりもバンドギャップが広い第1の導
    電型のInP窓層と、該InP窓層の表面から上記In
    GaAs光吸収層に達するかもしくは該光吸収層まで数
    μm程度に接近する深さに形成された導電型反転領域
    と、該導電型反転領域上の受光領域が形成される領域上
    の少なくとも一部分の領域を除く上記窓層の表面に形成
    された入射光に対して実質的に透明な表面保護膜と、少
    なくとも上記光吸収層中であって、上記導電型反転領域
    の周囲を取り囲んで設けられた少数キャリアの寿命が上
    記導電型反転領域底部の光吸収層中の少数キャリアの寿
    命よりも著しく短くなるようにされた第1の導電型の短
    寿命領域と、上記表面保護膜上に上記導電型反転領域に
    電気的に接触して形成された一方の電極と、上記InP
    半導体基板の裏面にこれと電気的に接触して設けられた
    他方の電極とからなる半導体受光装置。
  3. 【請求項3】 第1の導電型はn型、第2の導電型はp
    型であり、導電型反転領域は窓層の表面からZnなどの
    p型不純物を拡散して形成され、短寿命領域は窓層の表
    面からSi、Te、S、Se、Sn等のn型不純物を拡
    散させるか、プロトン注入等のインプランテーションに
    よる方法によって形成されたものであることを特徴とす
    る請求項1記載の半導体受光装置。
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