(57)【要約】【課題】低電圧動作で高受光感度と高速応答性の実現が可能な受光素子を備えた光半導体装置を提供する。【解決手段】第１導電型を有する第１半導体領域と、第１半導体領域上に設けられ、第２導電型を有する第２半導体領域とを備える。そして、素子分離領域により前記第１半導体領域および前記第２半導体領域と分離された半導体層の領域に設けられ、第１導電型を有する第３半導体領域と、前記半導体基板と前記第３半導体領域の間に設けられ、第１導電型を有する第４半導体領域とを備える。また、半導体基板と前記第１半導体領域とに跨って設けられ、その上部が前記第１半導体領域の所定の深さまで貫入し、第１導電型を有する第５半導体領域とを備える。そして、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域の表面部に逆方向電圧を印加することによって電流信号の増幅動作を行う。【選択図】図１
2010103221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光信号を電流信号に変換するとともに前記電流信号の増幅動作をする受光素子を備えた光半導体装置であって、
前記受光素子は：
第１導電型の半導体基板上に設けられた第１導電型を有する半導体層と、
前記半導体層の所定の領域が素子分離領域によって区画されて形成された第１導電型を有する第１半導体領域と、
前記第１半導体領域上に設けられ、第２導電型を有する第２半導体領域と、
前記素子分離領域により前記第１半導体領域および前記第２半導体領域と分離された前記半導体層の領域に設けられ、第１導電型を有する第３半導体領域と、
前記半導体基板と前記第３半導体領域の間に設けられ、第１導電型を有する第４半導体領域と、
前記半導体基板と前記第１半導体領域とに跨って設けられ、その上部が前記第１半導体領域の所定の深さまで貫入し、第１導電型を有する第５半導体領域とを備え、
前記第２半導体領域と前記第３半導体領域の表面部との間に逆方向電圧を印加することによって前記増幅動作を行う
ことを特徴とする、光半導体装置。
【請求項２】
前記第５半導体領域の上部の前記第１半導体領域における深さは、前記逆方向電圧が印加されたとき、前記第１半導体領域の、前記第５半導体領域よりも上の部分で、前記電流信号のアバランシェ増幅が生じる深さである、請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記第５半導体領域の不純物濃度は、前記第１半導体領域の不純物濃度より高い、請求項１または２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記第５半導体領域は、前記第１半導体領域内に複数の領域に分離されて配置された、請求項１または２に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記第４半導体領域は、前記第１半導体領域内まで延長され、前記第５半導体領域と接続されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記第５の半導体領域の平面レイアウトが、渦巻き状、もしくはそれを含むような形状で選択的に形成された、請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記第５の半導体領域の平面レイアウトが、放射状、もしくはそれを含むような形状で選択的に形成された、請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記第５の半導体領域の平面レイアウトが、入射光の照射面積に対して常に一定の面積率となるように選択的に配置された、請求項１乃至４のいずれかに記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光半導体装置に関し、特に受光素子と論理素子とが同一の基板上に形成された光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光半導体装置には、光信号を電気信号に変換するフォトダイオード等の受光素子と、周辺回路を構成するトランジスタ素子等の能動素子、並びに抵抗素子および容量素子等の受動素子とを同一の基板上に形成した光電子集積回路（Opto-Electronic Integrated Circuit：ＯＥＩＣ）装置がある。このＯＥＩＣ装置は、例えば、光信号を電気信号へ変換する光ディスク用の光ピックアップ装置や、各種の光センサ装置として用いられている。
【０００３】
光ピックアップ装置として用いられるＯＥＩＣ装置は、光ディスクの高密度・高速記録化に伴い、受光感度の向上と動作の高速化とが要望されている。また、光ピックアップ装置には、赤外光を用いるＣＤ（Compact Disc）用、赤色光を用いるＤＶＤ（Digital Versatile Disc）用が存在したが、近年、青色光を用いるＢＤ（Blue Digital Versatile Disc）用も加わった。このため、１つの光ピックアップ装置で３種類の波長の異なる光源信号を検出できる装置が要望されている。なかでもＢＤはデータ密度が大きいことから高速応答性が要望されている。このため、従来の赤外光および赤色光の受光感度と高速応答のＯＥＩＣ装置に加えて、新たに青色光に対する受光感度と高速応答を備えたＯＥＩＣ装置が要望されている。
【０００４】
ここで、３種類それぞれの波長の光に対する半導体への光吸収量について説明する。半導体への光吸収量は入射光の波長に依存する。特定の波長光の吸収係数αを持つ入射光に対する、入射面からの深さｔにおける半導体の吸収量は、１−ｅ-αt （但し、ｅは自然対数の底である。）で示される。例えば、シリコン半導体に対する光吸収量が約９０％となる入射光面からの深さは、波長が７８０ｎｍの赤外光で約２４μｍ、波長が６５０ｎｍの赤色光で約７．７μｍ、波長が４０５ｎｍの青色光で約０．６μｍとなる。また、受光特性については、光の波長に依存するフォトン数に対して効率良く電子正孔対を生成し、この電子または正孔を電流に寄与するキャリアとして電気的に高効率で取り出せる構造を有することが、受光感度と応答速度との向上につながる。
【０００５】
また高受光感度を実現することの可能な光半導体装置として、アバランシェ増幅動作を利用した電流増幅型フォトダイオードなどが挙げられる。ところが、一般的な電流増幅型フォトダイオードは非常に高電圧での動作が必要である。このため、高電圧電源や増幅率が一定となるよう高電圧を制御するためのバイアス制御回路が必要となり、消費電力や製造コストの増大を招く。そこで、高電圧電源を必要とせず、また電圧制御しないで簡易な駆動回路で動作させることができるような、低電圧動作で高受光感度を有する光半導体装置が求められている。
【０００６】
センサ装置としては、近年空間伝送分野において各種端末間での大容量データ転送に対し、蛍光灯や可視光ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を利用した可視光通信方式の利用価値が高まっている。特に室内照明を使った可視光通信方式は、照明機器の省電力化によるＬＥＤ照明の開発が加速し、照明用ＬＥＤを使った高速データ伝送の実現が可能な状況である。このため、家庭内の空間伝送ネットワーク通信の手段として、将来の空間伝送分野の主流として期待されている。
【０００７】
可視光通信装置用の受光素子には、空間伝送距離を確保する事と高周波の光信号を検出する性能が求められる。信号源となる照明光の特徴は、広域照射光である事と白色光を使っている点にある。広域照射光に対する受光特性について述べると、広域照射の場合は単位面積あたりの光量が距離に依存する結果となるため、受光領域に取り込まれる入射光量は伝送距離により変動することとなる。更に白色光は可視光領域の波長を全て持ち合わせた光である。よって受光素子には、可視光波長の全域に対し受光感度特性を有する事が必要となる。更に信号検出を行う受光素子には、空間伝送距離内で光信号を十分に検出する必要があり、高受光感度性能が必須となる。家庭内照明ではおよそ数メートル、業務用では数十メートルの信号検出性が必要とされている。
【０００８】
前記のような受光素子を使用した装置分野においては、高機能化の観点から信号制御回路の多機能化による消費電力の増大化傾向がある一方、環境面の観点から低消費電力化が要望されている。このように受光素子には産業分野を問わず、低電圧動作で高受光感度と高速応答性が要求されている。以下に従来の光半導体装置として増幅型フォトダイオード素子の構造を説明する。
【０００９】
（従来例１）
図１２は従来例１の光半導体装置を示す断面構造図である（例えば特許文献１参照）。この光半導体装置では比抵抗が１５０Ωｃｍの低不純物濃度のＰ型シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板８１の上に、高濃度の不純物を含む半導体からなるＮ＋型半導体層８２が形成されている。Ｎ＋型半導体層８２の上には、Ｎ＋型半導体層８２よりも不純物濃度が低いＰ−型半導体層８３が形成されている。そしてＰ−型半導体層８３の上には、Ｐ−型半導体層８３よりも不純物濃度が高いＰ＋型半導体層８４が形成されている。Ｐ＋型半導体層８４の周辺に、Ｐ＋型半導体層８４よりもさらに不純物濃度が高いＰ＋＋型半導体層８５が形成されている。このＰ＋＋型半導体層８５はフォトダイオードのアノードコンタクト層の役割を果たしている。
【００１０】
またＮ＋型半導体層８２の端上には、Ｎ＋型半導体層８２よりもさらに不純物濃度が高いＮ＋＋型半導体層８６が形成されている。このＮ＋＋型半導体層８６はフォトダイオードのカソードコンタクト層の役割を果たしている。双方のコンタクト層８５と８６上にアノード電極８７、カソード電極８８が形成されている。なお、本構造の受光素子の受光領域は、参照番号８９で表示された領域である。
【００１１】
以上のように構成された従来例１の光半導体装置の受光部の動作について、図１２、１３を用いて説明する。図１３（ａ）は図１２に示す従来例１の光半導体装置におけるａ−ｂ方向の不純物濃度を示す図であり、図１３（ｂ）は従来例１の光半導体装置におけるａ−ｂ方向のエネルギーバンドを示す図である。
【００１２】
始めに受光領域８９に入射した光は表面保護膜層１００を透過し、Ｐ＋型半導体層８４の表面に照射される。照射光の元であるフォトンは、物性定数である光吸収係数に従い指数関数的に半導体内で吸収されるため、減衰しながら各々半導体層に侵入し、いずれ消滅する。吸収されたフォトンは電子正孔対を生成し光電流を発生させる。Ｐ＋型半導体層８４は図１３（ａ）に示すように、表面近傍の高濃度領域である。このＰ＋型半導体層８４で吸収されたフォトンは、図１３（ｂ）に示すようにエネルギーバンドが深さ方向に略フラットであるため、電子正孔対の動作因子は拡散が支配的となる。
【００１３】
次にＰ−型半導体層８３で生成された電子正孔対は図１３（ａ）に示すような濃度傾斜を持つ低濃度領域であるため、図１３（ｂ）に示すポテンシャル勾配領域（空乏層領域）で動作することになる。よってＰ−型半導体層８３での動作因子は電界ドリフトが支配的となり、この領域では応答速度がもっとも高速となる。またカソード電極８８−アノード電極８７間に高電圧を印加する事によりＰ−型半導体層８３のポテンシャル勾配が急峻になる。よって高電圧印加による生成キャリアの増幅作用（雪崩増幅）が発生し、光電流を増幅させることが可能となる。
【００１４】
しかしながら従来例１の場合は広域の波長光に対して高受光感度と高速応答性を実現するためにＰ−型半導体層８３の厚みを大きくとっている。こうして、長波長光に対する吸収性の確保と、Ｐ−型半導体層８３の空乏層化によりフォトダイオードのＰＮ接合容量を低減することで周波数特性低下の抑制を行っている。
【００１５】
この構造の場合図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、光の吸収率を勘案して、Ｐ＋型半導体層８４とＮ＋型半導体層８２間で十分な幅・面積の空乏層領域を形成する必要がある。例えば前記した波長６５０ｎｍの光の場合、Ｐ−型半導体層８３は光半導体装置表面から７．７μｍ以上の深さの領域となる。この空乏層内でアバランシェ増幅動作を起こさせるためには、フォトダイオードに対して約６０Ｖ以上の逆バイアス状態が必要となる。このように、低消費電力化の要望に反して受光素子と論理回路を含む光半導体装置の動作において大電力が必要である。そこで低電圧動作とアバランシェ増幅作用を実現するために従来例１の構造に対し、以下の構造が考案されている（例えば特許文献２参照）。
【００１６】
（従来例２）
図１４は従来例２の光半導体装置を示す断面構造図であり、前記図１２の光半導体装置におけるＰ−型半導体層８３の内部にＰ−型半導体層８３よりも高不純物濃度でかつＮ＋型半導体層８２より低不純物濃度のＰ＋型半導体層９０が選択的に追加形成されている。またＰ−型半導体基板８１は、比抵抗が１５０Ωｃｍ程度の低不純物濃度のＰ型シリコン（Ｓｉ）よりなる。以上のように構成された従来例２の光半導体装置の受光部の動作について、図１５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
【００１７】
図１５（ａ）は図１４に示す従来例２の光半導体装置におけるａ−ｂ方向の不純物濃度を示す図であり、図１５（ｂ）は従来例２の光半導体装置におけるａ−ｂ方向のエネルギーバンドを示す図である。 本構造の特徴として図１５（ａ）に示すようにＰ−型半導体層８３の内部にＰ＋型半導体層９０による高濃度層が形成されている。
【００１８】
よって図１５（ｂ）に示すエネルギーバンド図のように、Ｐ−型半導体層８３内部に形成されるＰ＋型半導体層９０がＮ＋型半導体層８２と近接することになり、Ｐ＋型半導体層９０とＮ＋型半導体層８２との間に低電圧でも急峻な電位勾配が実現できる構造となる。この急峻な領域では低電圧印加でも生成キャリアの増幅作用（雪崩増幅）が発生し、光電流を増幅させることが可能となる。しかしながら従来例２の場合、表面からＰ＋型半導体層９０の上方近傍で光吸収されて生成された電子正孔はアバランシェ増幅動作に寄与することができない。よってＰ−型半導体層８３の浅い部分で大部分の電子正孔対を生成する短波長の光に対しては高受光感度を実現できない構造である。
【特許文献１】特開２０００−２５２５０７号広報
【特許文献２】特開平１１−４５９８８号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上にも述べたように受光素子に求められる性能は高受光感度と高速応答性と低消費電力である。高受光感度の実現に関して青色光などの短波長光は、赤外光や赤色光に対して１フォトン当りのエネルギー量が大きく、同一光出力量でのフォトン数が少ない。よって光電変換により生成されるキャリアも少ないため受光感度が低下する。量子効率が１００％（１フォトンに対して、１電子正孔対生成）とした場合、前記した各々の波長光の受光感度は、赤外光で０．６３Ａ／Ｗ、赤色光で０．５２Ａ／Ｗ、青色光で０．３３Ａ／Ｗとなる。このことからも短波長光に対して高受光感度を確保できる構造が望まれている。
【００２０】
しかし前記のような従来の光半導体装置においては、広域の波長光に対する高受光感度と高速応答性を実現する構造をとれば、従来例１のように光電流の増幅には高電圧の印加が必要となり消費電力の増加となる。一方低電圧動作での増幅作用を実現する構造をとれば、従来例２のように短波長光に対する高受光感度実現の妨げとなってしまう。また高速応答性の実現には、上記受光領域８９から入射する光信号に対する周波数特性低下の要因となる、寄生容量成分や寄生抵抗成分の低減が必要である。しかし従来例の光半導体装置においては、断面構造的な考慮はされているが寄生容量・寄生抵抗成分の低減が十分ではない。
【００２１】
前記のような課題に鑑み本発明は、光半導体装置の受光素子において短波長光から可視光まで広域の波長光に対する動作特性（受光感度および高速応答性）を向上させるとともに、光半導体装置の低消費電力化の実現を目的とする。更にＮＰＮトランジスタおよび縦型ＰＮＰトランジスタなどの素子を搭載したＩＣにも容易に搭載することが可能な構造を有する受光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記の目的を達成するため、本発明に係る光半導体装置は、入射光を電流信号に変換する受光動作部に電流増幅動作を有する受光素子を備えている。そして、前記受光動作部は、第１導電型の半導体基板上に設けられた第１導電型の半導体層、当該半導体層の所定の領域が素子分離領域によって区画されて形成された第１導電型を有する第１半導体領域および前記半導体層上に設けられた第２導電型の第２半導体領域を備えている。
【００２３】
また、この受光動作部は、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域と絶縁分離された前記半導体層に、第１導電型の第３半導体領域が設けられるとともに、前記半導体基板と前記第３半導体領域の間に形成された第１導電型の第４半導体領域を有している。さらに、この受光動作部は、前記半導体基板と前記半導体層とに跨って形成された第１導電型の第５半導体領域を有している。そして、この受光動作部は、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域の表面部に逆方向電圧を印加することにより、前記電流信号をアバランシェ増幅させることを特徴としている。
【００２４】
本発明の光半導体装置によれば、光電流を発生し電流増幅する受光動作部が半導体基板上に設けられていることにより、入射光を介して受け取った光信号を光電流に変換し、かつ増幅することにより、入射光のパワーが小さい状態でも信号検出が可能となる。特に、第２の半導体領域と第５の半導体領域との間では、低電圧印加によるアバランシェ増幅動作が可能となる事から、光信号情報を持った光電流を増幅することが可能となる。これにより、第２導電型の第２半導体領域を厚くすることなく受光感度を向上させることができ、高速応答性や高周波特性も向上させることが可能となる。また、赤外光や赤色光だけでなく青色光に対する受光感度も向上させることができる。
【００２５】
また上記の構成において、第４の半導体領域と第５の半導体領域の一部とが、少なくとも一箇所以上接触するように形成されることが好ましい。これによれば、第２の半導体領域と第５の半導体領域とにより生成されたキャリア（アバランシェ増幅により生成されたキャリア）が、前記半導体層を介することなく第５の半導体領域と第４の半導体領域との間を移動することができる。従って、接触抵抗を低減でき周波数特性の低下を抑制できる。
【００２６】
また上記の構成において、前記第５の半導体領域の平面レイアウトが、渦巻き状、放射状、もしくはそれらを含むような配列で選択的に配置することが好ましい。これによれば、半導体層に十分な空乏層を形成することで寄生容量の低減を図ることができる。従って、アバランシェ増幅動作による受光感度の向上と同時に、アバランシェ増幅動作部以外の寄生容量低減による周波数特性の向上を図ることができる。また、入射光の断面形状はほぼ円形を有しているため、特に入射光の照射位置が安定している場合、前記平面レイアウトにおける特定部に光照射するように設定することが可能である。これにより、入射光の光径が変動した場合でも安定した特性を得ることができる。
【００２７】
また上記の構成において、前記第５の半導体領域の平面レイアウトが、入射光の照射面積に対して前記第５の半導体領域の占有する面積率が常に一定となるように選択的に配置されることが好ましい。入射光に含まれるフォトン数は入射光のパワーに依存するため、入射光の光径が異なっても同一パワーであれば受光素子として得るフォトン数は同じである。そのため前記構成によれば、入射光の光径の変動に全く影響を受けずに常に一定の受光感度を得ることができる。これにより、高周波特性を実現するために前記第５の半導体領域の面積を最小限に形成しても、安定した高受光感度を得ることが可能となる。よって、高速応答性・高周波特性かつ一定の高受光感度を得ることができる受光素子の形成が可能なる。また、トランジスタなどの回路素子を同一基板上に集積化する場合、受光素子特性に束縛されない回路素子形成が可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る光半導体装置によると、受光動作部において第１の半導体領域と半導体層とで構成する受光素子で生じたキャリアを電流増幅することができるので、青色光などの短波長の光に対しても十分な受光感度を得ることができる。また、電流増幅動作を発生させるアバランシェ電圧が低電圧での動作が可能となるため、光半導体装置の低消費電力化が可能となり、多岐にわたる光半導体装置に使用可能となる。さらには寄生容量・寄生抵抗の低減により周波数特性の向上が図れることから、高受光感度と共に高速応答性も同時に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置における受光素子の断面図であり、図１（ｂ）はこの受光素子の平面レイアウトの一例を示した図である。本実施形態の受光素子部５０は後に詳細に説明するように、入射光を電流信号に変換する受光領域内の表面近傍でアバランシェ増幅動作による電流増幅を起こさせる構造であることを特徴とする。
【００３１】
図１の断面図（ａ）に示すように、例えば比抵抗が１００〜２００Ωｃｍ程度の低不純物濃度のＰ型シリコン（Ｓｉ）よりなるＰ−型半導体基板１上には、厚さが２μｍで不純物濃度がＰ−型半導体基板１と同等以下で例えば１×１０14ｃｍ-3のＰ−型半導体層２がエピタキシャル成長により形成されている。受光素子部５０の周囲はトレンチに酸化シリコン（ＳｉＯ２）が充填された素子絶縁分離層７（素子分離領域）によって分離されている。素子絶縁分離層７はアノード電極１０とカソード電極１１との間の下方においては、Ｐ−型半導体層２の厚さよりも深くまで形成されている。またＰ−型半導体層２の各電極を除く領域上には、パッシベーション膜として例えば酸化シリコンなどよりなる保護絶縁膜３が形成されている。
【００３２】
素子絶縁分離層７により区画されたＰ−型半導体層２（第１半導体領域）の表面部には、例えば不純物濃度ピーク位置がＰ−型半導体層２の上面から０．１μｍの深さであり、厚さが０．２μｍで不純物濃度が約１×１０18ｃｍ-3の高濃度のＮ＋型半導体領域８（第２半導体領域）が選択的に形成されている。Ｎ＋型半導体領域８は別途Ｐ−型半導体層２とは独立して、Ｐ−型半導体層２上に設けられていてもよい。Ｎ＋型半導体領域８の側端には、イオン注入により選択的にＮ型の高濃度不純物を注入し、アニール処理によりカソードコンタクト層となるＮ＋型半導体領域９が形成されている。
【００３３】
また、Ｎ＋型半導体領域９の上にはカソード電極１１が形成されている。Ｐ＋型半導体領域５（第５半導体領域）はＰ−型半導体基板１の上面からイオン注入により、選択的にＰ型の不純物を注入し、アニール処理後にＰ−型半導体層２のエピタキシャル成長を経て形成される。この拡散層はＰ−型半導体基板１とＰ−型半導体層２との界面から上面に向けて約１μｍの拡散層の広がりがあり、その不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3で形成されている。また、選択的に形成されたＰ＋型半導体領域５の平面レイアウトは、例えば図１（ｂ）に示すようにスリット状をなすように選択的に形成されている。
【００３４】
Ｎ＋型半導体領域９を分離する素子分離絶縁層７の周辺部には、不純物濃度のピーク位置がＰ−型半導体層２の上面から例えば１μｍの深さであり、厚さが２μｍで不純物濃度が約１×１０18ｃｍ-3のＰ＋型半導体領域６（第３半導体領域）がイオン注入により選択的に形成されている。Ｐ＋型半導体領域６の下にはＰ＋型半導体領域５と同様の形成方法により、選択的にＰ＋型半導体領域４（第４半導体領域）が形成されている。この拡散層は例えばＰ−型半導体基板１とＰ−型半導体層２との界面から上面に向けて約０．３μｍの拡散層の広がりがあり、その不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3で形成されている。またＰ＋型半導体領域６の上には、アノード電極１０が形成されている。
【００３５】
なおカソード電極１１、アノード電極１０はいずれも平面パターンとしてはリング状である。またＰ＋型半導体領域６は素子分離絶縁層７を挟んでＮ＋型半導体領域９、Ｐ−型半導体層２を囲むように設けられている。即ち、素子分離絶縁層７は平面パターンにおいて、Ｐ＋型半導体領域６の内縁側と外縁側に形成されている。これにより動作時のカソード電極１１、アノード電極１０間の電圧に起因する電界集中が緩和されている。以上の拡散層、分離層の形成により受光素子部５０が構成される。Ｐ＋型半導体領域５が表面よりも深い位置にあり、図１に示すように選択的に形成されることが従来の光半導体装置と大きく異なる。
【００３６】
次に本実施形態の受光素子の増幅作用の原理を説明する。図２は本実施形態に係る受光素子の受光動作および電流増幅動作中の等電位線１０１と電気力線１０２を示す模式図である。また図３（ａ）は図２のａ−ｂ断面、図３（ｂ）は図２のｃ−ｄ断面領域での電位ポテンシャル分布図（エネルギーバンド図）である。図３（ａ）、（ｂ）において横軸は受光素子表面Ｎ＋型半導体領域８直下からの深さ、縦軸は電子に対するポテンシャルを表す。なお、カソード−アノード間には逆方向バイアス電圧が印加された状態である。図２では説明に不要な領域については図１の一部を図示していない。
【００３７】
まず受光素子部５０に照射された光によって、Ｐ−型半導体層２で電子正孔対が生成される。Ｐ＋型半導体領域５とＮ＋型半導体領域８との間に挟まれた１μｍ弱のＰ−型半導体層２の領域では、図２および図３（ａ）のａ−ｂ領域の電位ポテンシャル分布に示すように急峻な電位勾配を有する。このことから、アノード電極１０−カソード電極１１間の低電圧印加であっても生成電子・正孔の増幅作用（雪崩増幅）が発生し光電流を増幅させることが可能である。このため、アバランシェ降伏を生じているＰ−型半導体層２領域の、Ｎ＋型半導体領域８に近い上端部とＰ＋型半導体領域５に近い下端部の間にかかる電圧が低電圧となり、この領域で低電圧で電流増幅作用が発生する。また平面レイアウトにより選択的に形成されたＰ＋型半導体領域５に挟まれたＰ−型半導体層２のｃ−ｄ領域はＮ＋型半導体領域８のＰＮ接合からその下端まで十分な距離がある。このため、図２および図３（ｂ）に示すように、Ｐ−型半導体層２のｃ−ｄ領域における深さ方向の電位勾配は比較的緩やかになり、縦方向に空乏層が広がった状態となる。
【００３８】
よって図３（ａ）のａ−ｂ領域であるアバランシェ降伏による増幅作用が生じているＰ−型半導体層２の領域の上下端に電圧がかかっていても、ｃ−ｄ領域では増幅作用が発生しない。その代わりにＰ＋型半導体領域５同士に挟まれたＰ−型半導体層２のｃ−ｄ領域に空乏層が十分に広がる事により、受光素子内部に存在する寄生容量の低減が図れる。ここで受光素子の応答速度を周波数特性ｆｃで置き換えると、ｆｃ＝１／２πＣＲ（Ｃ：容量、Ｒ：抵抗）で示されるが、この事は低容量化により周波数特性の向上が図れることを示している。よって本構造ではＰ＋型半導体領域５を選択的に形成する事により、寄生容量Ｃの低減から周波数特性が向上し、応答速度の高速化が可能となる。
【００３９】
またＰ−型半導体層２の表面に近い領域側で急峻な電位勾配を形成しているため（ａ−ｂ領域）、光吸収が表面近傍で支配的な短波長の光に対してもアバランシェ増幅動作が可能となる。また選択的に形成されたＰ＋型半導体領域５に挟まれたＰ−型半導体層２の領域（ｃ−ｄ領域）では、通常の受光素子動作を示すため、光吸収が短波長光よりも深い位置で支配的となる長波長の光に対しても、この領域で高い受光特性を得ることができる。
【００４０】
次に本実施形態に係る受光素子において生成された電子正孔対の振る舞いについて図４、図５を用いて説明する。図４は図１に示す受光素子の構造であり、図５は図１において改善されたＰ＋型半導体領域４配置を有する受光素子の構造である。両図において、本実施形態に係る受光素子のＰ＋型半導体領域４と、Ｐ＋型半導体領域５の近傍における等電位線１０１を示している。また本説明において不要な領域については、図１に示す一部を図示していない。
【００４１】
電子正孔対のうち正孔はＰ＋型半導体領域５からＰ＋型半導体領域４を介してアノードコンタクト層となるＰ＋型半導体領域６へと到達する。図４に示すようにＰ＋型半導体領域５とＰ＋型半導体領域４との間に低不純物濃度のＰ−型半導体基板１とＰ−型半導体層２が存在する場合、正孔に対する電位障壁が形成されることとなる。そのためＰ＋型半導体領域５とＰ＋型半導体領域４とが対向している領域での抵抗成分が増加するため、前記周波数特性ｆｃの計算式からも分かるように周波数特性の低下を招いてしまう。
【００４２】
そのため図１（ｂ）の平面レイアウト図、および図５に示すように、選択的に形成されたＰ＋型半導体領域５の一部に、Ｐ−型半導体層２より高不純物濃度のＰ＋型半導体領域４と少なくとも一箇所以上接触させる。これにより、入射光によって生成された電子正孔対のうち正孔のＰ＋型半導体領域６への移動に対する抵抗の低減が図れ、周波数特性の向上が図れる。
【００４３】
本実施形態の受光素子部５０は公知の製造技術を用いて作製される。図６、７に製造工程の要部について断面図６（ａ）、図７（ａ）、それぞれの断面図に対応する平面図６（ｂ）、図７（ｂ）を示している。断面図６（ａ）、図７（ａ）は平面図６（ｂ）、７（ｂ）のｍ−ｎ線、ｏ−ｐ線で切断した断面を示す。また平面図６図６（ｂ）、図７（ｂ）はＰ−型半導体基板１とＰ−型半導体層２との界面近傍における平面を図示しており、図７（ｂ）では表面近傍に形成されるＮ＋型半導体領域８、Ｎ＋型半導体領域９については図示していない。
【００４４】
まず図６（ａ）、図７（ａ）に示されるように、Ｐ−型半導体基板１内にＰ型不純物イオンを注入してＰ＋型半導体領域４、５となるべき領域を形成する。選択的に形成されたＰ＋型半導体領域５はイオン注入を行う際のマスクパターンによって容易に形成することが可能である。次にＰ−型半導体基板１上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより、厚さ２μｍ程度のＰ−型半導体層２をエピタキシャル成長させる。
【００４５】
次いで図６（ｂ）、図７（ｂ）に示されるようにＰ＋型半導体領域６を高エネルギーイオン注入および当該イオン注入に続く熱拡散により、その下部がＰ＋型半導体領域４に接続されるように形成する。さらにＮ＋型半導体領域８およびＮ＋型半導体領域９を順次イオン注入により拡散形成する。
【００４６】
次に公知のＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)形成技術（溝型分離形成技術）により、酸化シリコン（ＳｉＯ２）よりなる素子分離絶縁層７を形成する。その後Ｐ−型半導体層２の一部上に保護絶縁膜３を、図１に示すように形成する。その後アノード、カソード各コンタクト層の上部保護膜３をエッチング開口し各電極１０、１１を形成する。以上の工程により本実施形態の受光素子部５０を形成することができる。
【００４７】
ここで選択的に形成されるＰ＋型半導体領域５の平面レイアウトを工夫することで、動作特性（受光感度および高速応答性）の向上を図ることができる。図８、図９はＰ＋型半導体領域５の平面レイアウトの変形例を示す図である。図８においてはＰ＋型半導体領域５が受光素子部５０内の任意の中心点から渦巻き状に広がるように形成されている。また図９においてはＰ＋型半導体領域５が受光素子部５０に放射状に形成されている。後者では、特にＰ＋型半導体領域５が、受光素子部５０内の任意の中心点から放射状に設けられ、互いに隣接するＰ＋型半導体領域５パターンのＰＮ接合端部がＰ−型半導体層２を介してなす角度θが均等で、その領域に複数形成されている。ここで受光素子部５０に照射される入射光の断面形状は用途によらずほぼ円形もしくは楕円形を有しており、特に入射光が照射される受光素子部５０内の位置が安定している場合次のようにすることができる。即ち、入射光を前記平面レイアウトにおける受光素子部５０内の特定部に光照射するように設定することにより、この入射光の光径が変動した場合でも安定した特性を得ることができる。
【００４８】
例えば図９の平面レイアウトにおいて受光素子部５０へ入射光の照射される位置が安定している場合、受光素子部５０内のＰ＋型半導体領域５の放射状パターンの中心点にレーザービームなどの照射光の中心対称点が来るように設定する。すると、入射光ビームの形状はほとんど変わらずに光径が変動しても、入射光の全照射面積に対するＰ＋型半導体領域５への照射面積の割合は常に一定となる。また受光素子の受光感度特性は入射光のフォトン数に依存するが、入射光に含まれるフォトン数は入射光のパワーに依存するため、入射光の光径が変動しても同一パワーであれば受光素子として得るフォトン数は同じである。
【００４９】
このことからパワー一定の入射光において、入射光の全照射面積に対するＰ＋型半導体領域５への照射面積の割合が常に一定であれば入射光の光径が変動しても受光感度は常に一定となる。一方、入射光の光径の変動により前記割合が変動すると、それに伴いアバランシェ増幅動作を主として起こさせるＰ＋型半導体領域５の上部にあるＰ−型半導体層２の面積と、Ｐ＋型半導体領域５の間の上部にあるＰ−型半導体層２の面積との割合が変動する。すると、アバランシェ増幅動作に関与するフォトン数の割合も変動することとなるため受光感度は不安定となる。よって図８、図９のようにＰ＋型半導体領域５の平面レイアウトの工夫により、入射光の光径の変動に影響を受けずに常に一定の受光感度を得ることができることから、高精度で高速応答性・高受光感度を兼ね備えた受光素子形成が可能となる。
【００５０】
なおＰ＋型半導体領域５の平面レイアウトは前記に限られない。一例として挙げたスリット状、渦巻き状、放射状に加え、それらの組み合わせにより構成されるレイアウトでもよい。また、それらにより想定し得るレイアウト、即ち受光素子部５０上の特定の点に対して中心対称なパターンあるいはｎ回回転対称なパターンであっても問題ない。例えば図１０に示すように、等間隔で平行にかつ縦横に配列されたスリット状の組み合わせにより構成される格子状のレイアウトであっても良い。この場合一方向のスリット状レイアウトに比べ、アバランシェ増幅動作に寄与するＰ＋型半導体領域５の上部に位置するＰ−型半導体層２の面積が増すことになる。このことから、例えば入射光の光信号パワーが比較的小さい場合でも電流増幅により受光感度の向上を図ることが出来る。
【００５１】
また本実施形態の受光素子部５０と不純物の導電型を全て入れ替えても動作させることができる。さらにＰ−型半導体基板１の材料としてはシリコンが最も好ましいが、これに限らずシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）や化合物半導体など他の半導体であっても用いることは可能である。
【００５２】
（第２の実施形態）
図１１は本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置（ＯＥＩＣ装置）を示す断面図である。本発明に係る光半導体装置における受光素子部５０は、前記したように公知の製造技術によって、マスクパターンによる選択的イオン注入などにより形成される。このため、バイポーラトランジスタやＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタなどと同一基板上に容易に集積化することが可能であり、互いに共通の工程により形成することが可能である。
【００５３】
図１１において、Ｐ−型半導体基板１上には受光素子部５０の他にＮＰＮバイポーラトランジスタおよび縦型ＰＮＰトランジスタが設けられた第１のトランジスタ部６０と、ＣＭＯＳトランジスタが設けられた第２のトランジスタ部７０とが形成されている。受光素子部５０、第１のトランジスタ部６０、第２のトランジスタ部７０とは互いにＰ−型半導体基板１あるいはＮ＋型半導体領域１２にまで達する素子分離絶縁層７によって区画されている。
【００５４】
以下第１のトランジスタ部６０および第２のトランジスタ部７０の構成を説明する。第１のトランジスタ部６０は、Ｎ型コレクタ部とＰ型ベース部とＮ型エミッタ部とを有するＮＰＮバイポーラトランジスタ（以下、ＮＰＮ−Ｔｒ）と、Ｐ型コレクタ部とＮ型ベース部とＰ型エミッタ部とを有するＰＮＰ縦型バイポーラトランジスタ（以下、縦型ＰＮＰ−Ｔｒ）とを含んでいる。ＮＰＮ−ＴｒのＮ型コレクタ部はＰ−型半導体層２中にＮ型不純物を拡散し形成したＮ型コレクタ領域１４と、コレクタコンタクトとしてのＮ＋型半導体領域１２およびＮ型半導体領域１３と、Ｎ型半導体領域１３の上に形成されたコレクタ電極１８とで構成されている。Ｐ型ベース部はＰ型半導体領域により構成される活性ベース層１５と、Ｐ＋型半導体領域のベースコンタクト領域１６と、ベースコンタクト領域１６の上に形成されたベース電極２０とで構成されている。Ｎ型エミッタ部は活性ベース層１５の上に形成されたＮ型不純物を含むエミッタ領域１７と、エミッタ領域１７上に形成され、高濃度のＮ型不純物が導入された多結晶半導体層４０と、多結晶半導体層４０の上に形成されたＮ型エミッタ電極１９とで構成されている。
【００５５】
縦型ＰＮＰ−ＴｒのＰ型コレクタ部は、コレクタコンタクトとなるＰ＋型半導体領域２１と、Ｐ＋型半導体領域２１の上に形成され、素子分離絶縁層７に囲まれたＰ型半導体領域２２と、Ｐ型半導体領域２２の上に形成されたＰ型コレクタ電極２６とで構成されている。Ｎ型ベース部は、Ｎ型半導体領域２９上に形成されたＮ型活性ベース領域２３と、Ｎ型活性ベース領域２３に接し、Ｎ型半導体領域２９上に形成されたＮ型コンタクトベース領域２４と、ベース電極２８とで構成されている。Ｐ型エミッタ部はＮ型活性ベース領域２３上に形成されたＰ型エミッタ領域２５と、Ｐ型エミッタ領域２５上に形成された多結晶半導体層４１と、多結晶半導体層４１上に形成されたエミッタ電極２７とで構成されている。
【００５６】
本発明の受光素子部５０によれば、トランジスタ特性に影響を与えるＰ−型半導体層２を厚くすることなくアバランシェ増幅動作により受光特性の向上が図れる。従って、受光素子特性を満足するためにバイポーラトランジスタの特性に最適化されたＰ−型半導体層２の厚さを変更することがなくなり、受光素子構造に束縛されないバイポーラトランジスタの設計が可能となる。
【００５７】
次に第２のトランジスタ部７０は、Ｎチャネル型およびＰチャネル型のＭＯＳトランジスタを含んでいる。各々のＭＯＳトランジスタ同士は素子分離絶縁層７により分離されている。各々の拡散層はＰ−型半導体層２の上部に形成されており、Ｎ型ソース領域３３、Ｎ型ドレイン領域３２およびゲート電極となるＮ型多結晶半導体層４３がＮチャネル型ＭＯＳトランジスタを構成している。またＰ型ソース領域３１、Ｐ型ドレイン領域３０、およびゲート電極となるＰ型多結晶半導体層４２がＰチャネル型ＭＯＳトランジスタを構成している。なお、参照番号３４〜３７は、Ｎチャネル、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタのソース領域、ドレイン領域に形成された電極を示している。
【００５８】
本発明の受光素子部５０を用いれば、同一基板上にＭＯＳトランジスタの形成も可能となり、以上のような構成をとることで、ワイヤボンディングなどの寄生容量や外乱ノイズを低減することができる。そのため、高速応答性・高受光感度特性を有する受光素子の性能を十分に活かした光半導体装置を実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上説明したように、本発明によれば、電流増幅動作による高受光感度化と、寄生容量・寄生抵抗の低減による高速応答性が実現でき、さらに広域の波長光に対して高い受光特性を有することから、複数種の光を用いた光ディスクの光検出器等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態における受光素子の断面図及び平面図。
【図２】本発明の第１の実施形態における電界の様子を示す図。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるポテンシャル分布図。
【図４】本発明の第１の実施形態における電界の様子を示す図。
【図５】本発明の第１の実施形態における電界の様子を示す図。
【図６】本発明の第１の実施形態における受光素子の製造工程図。
【図７】本発明の第１の実施形態における受光素子の製造工程図。
【図８】本発明の第１の実施形態における受光素子の他の平面図。
【図９】本発明の第１の実施形態における受光素子の他の平面図。
【図１０】本発明の第１の実施形態における受光素子の他の平面図。
【図１１】本発明の第２の実施形態における半導体装置の断面図。
【図１２】従来の受光素子の断面図。
【図１３】従来の受光素子のポテンシャル分布図。
【図１４】従来の受光素子の他の断面図。
【図１５】従来の受光素子の他のポテンシャル分布図。
【符号の説明】
【００６１】
１  Ｐ−型半導体基板
２  Ｐ−型半導体層
３  保護絶縁膜
４  Ｐ＋型半導体領域
５  選択的に形成されたＰ＋型半導体領域
６  Ｐ＋型半導体領域
７  素子絶縁分離層
８  Ｎ＋型半導体領域
９  Ｎ＋型半導体領域
１０  アノード電極
１１  カソード電極
５０  受光素子部
６０  第１のトランジスタ部
７０  第２のトランジスタ部
８１  Ｐ型半導体基板
８２  Ｎ＋型半導体層
８３  Ｐ−型半導体層
８４  Ｐ＋型半導体層
８５  Ｐ＋＋型半導体層
８６  Ｎ＋＋型半導体層
８７  アノード電極
８８  カソード電極
８９  本構造の受光素子における受光領域
９０  選択的に形成されたＰ＋型半導体層
９１  素子絶縁分離層
１００  表面保護膜層
１０１  等電位線
１０２  電気力線
【図１】
2010103221.tif 000003
【図２】
2010103221.tif 000004
【図３】
2010103221.tif 000005
【図４】
2010103221.tif 000006
【図５】
2010103221.tif 000007
【図６】
2010103221.tif 000008
【図７】
2010103221.tif 000009
【図８】
2010103221.tif 000010
【図９】
2010103221.tif 000011
【図１０】
2010103221.tif 000012
【図１１】
2010103221.tif 000013
【図１２】
2010103221.tif 000014
【図１３】
2010103221.tif 000015
【図１４】
2010103221.tif 000016
【図１５】
2010103221.tif 000017