(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板とその上に形成した第２導電型半導体層によってフォトダイオード部を形成し、同一の第１導電型半導体基板上に信号処理回路を形成した回路内蔵受光素子において、
上記フォトダイオード部における上記第１導電型半導体基板の表面に形成された第２導電型の低不純物濃度半導体層と、
上記フォトダイオード部における上記低不純物濃度半導体層と上記第２導電型半導体層との境界部に形成されると共に、上記第２導電型半導体層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の高不純物濃度半導体層
を備えて、
上記低不純物濃度半導体層の不純物濃度は、上記高不純物濃度半導体層の不純物濃度よりも低くなっており、
上記高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面する部分は、上記低不純物濃度半導体層によって完全に取り囲まれる一方、上記高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面しない部分は、上記低不純物濃度半導体層から露出している
ことを特徴とする回路内蔵受光素子。
【請求項２】
第１導電型半導体基板とその上に形成した第２導電型半導体層によってフォトダイオード部を形成し、同一の第１導電型半導体基板上に信号処理回路を形成した回路内蔵受光素子において、
上記フォトダイオード部における上記第１導電型半導体基板の表面に形成された第２導電型の低不純物濃度半導体層と、
上記フォトダイオード部における上記低不純物濃度半導体層と上記第２導電型半導体層との境界部に形成されると共に、上記第２導電型半導体層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の高不純物濃度半導体層
を備えて、
上記低不純物濃度半導体層の不純物濃度は、上記高不純物濃度半導体層の不純物濃度よりも低くなっており、
上記高不純物濃度半導体層は複数に分割されており、
上記分割された夫々の高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面する部分は、上記低不純物濃度半導体層によって完全に取り囲まれる一方、上記分割された夫々の高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面しない部分は、上記低不純物濃度半導体層から露出している
ことを特徴とする回路内蔵受光素子。
【請求項３】
上記フォトダイオード部に形成された上記低不純物濃度半導体層は、上記信号処理回路部を構成するトランジスタ部のコレクタを上記第１導電型半導体基板から電気的に分離するためのコレクタ分離用第２導電型半導体層と同時に形成されたものである
ことを特徴とする請求項１または２記載の回路内蔵受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光電変換信号を処理する回路を内蔵した回路内蔵受光素子に関するものであり、特に、光空間信号伝送用などに用いるために、そのフォトダイオード部の応答速度を向上させるための構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回路内蔵受光素子は、たとえば遠隔制御用などに従来から用いられている。最近、光空間信号伝送用などの用途向けに、応答速度の高速化が望まれている。
【０００３】
図８は、従来この用途に用いられてきた回路内蔵受光素子の一例の断面図である。Ａはフォトダイオード、Ｂは信号処理回路部であって１枚のシリコン基板上に形成されている。
【０００４】
図８において、フォトダイオードＡは、第１導電型例えばＰ型シリコン基板１とその上に形成された第２導電型例えばＮ型エピタキシャル層５によって形成されている。信号処理回路部Ｂは、Ｐ型シリコン基板１の表面に埋込まれているＮ+型拡散層３とその上部のＮ型エピタキシャル層５とその表面に形成されたＰ+型拡散層８とさらにその上に形成されたＮ+型拡散層９よりなるＮＰＮトランジスタＱ1および図示されていないが他の回路素子により構成される。Ｐ型シリコン基板１の表面からＮ型エピタキシャル層５の表面に達する２段に形成されたＰ+型拡散層４および６は、素子間分離用の拡散層であり、Ｎ+型拡散層３の表面からＮ型エピタキシャル層５の表面に達するＮ+型拡散層１０はコレクタ端子部となる。
【０００５】
図８のような構造の回路内蔵受光素子において、素子の応答速度を律速しているのは、フォトダイオードの応答速度であり、そのフォトダイオード応答速度を決定している要因の大きな部分は光キャリアの拡散時間である。
【０００６】
図８の構造の回路内蔵受光素子において、Ｐ型シリコン基板１の比抵抗は通常１０Ωcm程度であり、逆バイアス電圧３Ｖでの空乏層広がり幅は１.５μm程度である。Ｎ型エピタキシャル層５の厚さが３μmであるとすると、
(Ｎ型エピタキシャル層３の厚さ)＋(空乏層幅)＝４.５μm
の深さに基板内で発生した光キャリアが到達するまでの時間が光キャリアの拡散時間である。使用する光の波長を８５０nmとすると侵入長は１２.５μmであり、光キャリアは、前述の４.５μmの深さに到達するのに８μm以上の距離を拡散によって移動することがわかる。この拡散によるキャリア移動に律速される電流成分(拡散電流成分という)を低減する方法としては、ＰＮ接合を深い位置に形成することが考えられる。そのための構造として、図９のような構造がある(特開平４−８２２６８参照)。この構造においては、図８の構造のフォトダイオード部にＮＰＮトランジスタ部の埋込まれている高濃度のＮ+型拡散層３よりも低不純物濃度のＮ-型拡散層２をＰＮ境界面より５μm深く埋込んでいる。このことによって、光キャリアはＮ-型拡散層２の深さ５μmと前述のＮ+エピタキシャル層３の厚さ３μm，空乏層広がり１.５μmを加えた９.５μmの深さまでキャリアが到達する時間が光キャリアの拡散時間となり、大幅な高速化が可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図９の回路内蔵受光素子には以下のような問題点がある。すなわち、Ｎ-型拡散層２の部分の比抵抗が高いため、フォトダイオードの内部直列抵抗が大きくなり、ＣＲ時定数が大きくなって応答速度が遅くなってしまう。この問題はフォトダイオードサイズが大きい光空間伝送用の回路内蔵受光素子(たとえばフォトダイオードサイズが１mm×１mm)あるいはフォトダイオード形状が細長くなる光ピックアップ用の回路内蔵受光素子において顕著になる。
【０００８】
このフォトダイオード部の内部直列抵抗を低減する目的で、Ｎ-型拡散層２の不純物濃度を高くすることが考えられる。しかし、Ｎ-型拡散層２の不純物濃度を高くすると、その部分でのキャリアライフタイムが低下し、フォトダイオードの光感度が低下してしまうという新たな問題点が発生する。
【０００９】
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、フォトダイオードの内部直列抵抗および光キャリアの拡散電流成分を低減して、フォトダイオードの応答速度を向上させ、かつ光感度を低下させることのない回路内蔵受光素子を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る回路内蔵受光素子の第１のものは、第１導電型半導体基板とその上に形成した第２導電型半導体層によってフォトダイオード部を形成し、同一の第１導電型半導体基板上に信号処理回路を形成した回路内蔵受光素子において、上記フォトダイオード部における上記第１導電型半導体基板の表面に形成された第２導電型の低不純物濃度半導体層と、上記フォトダイオード部における上記低不純物濃度半導体層と上記第２導電型半導体層との境界部に形成されると共に、上記第２導電型半導体層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の高不純物濃度半導体層を備えて、上記低不純物濃度半導体層の不純物濃度は、上記高不純物濃度半導体層の不純物濃度よりも低くなっており、上記高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面する部分は、上記低不純物濃度半導体層によって完全に取り囲まれる一方、上記高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面しない部分は、上記低不純物濃度半導体層から露出している。
本発明に係る回路内蔵受光素子の第２のものは、第１導電型半導体基板とその上に形成した第２導電型半導体層によってフォトダイオード部を形成し、同一の第１導電型半導体基板上に信号処理回路を部を形成した回路内臓受光素子において、上記フォトダイオード部における上記第１導電型半導体基板の表面に形成された第２導電型の低不純物濃度半導体層と、上記フォトダイオード部における上記低不純物濃度半導体層と上記第２導電型半導体層との境界部に形成されると共に、上記第２導電型半導体層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の高不純物濃度半導体層を備えて、上記低不純物濃度半導体層の不純物濃度は、上記高不純物濃度半導体層の不純物濃度よりも低くなっており、上記高不純物濃度半導体層は複数に分割されており、上記分割された夫々の高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面する部分は、上記低不純物濃度半導体層によって完全に取り囲まれる一方、上記分割された夫々の高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面しない部分は、上記低不純物濃度半導体層から露出している。
【００１１】
【作用】
本発明に係る回路内蔵受光素子の第１のものによれば、フォトダイオード部における上記第１導電型半導体基板の表面には第２導電型の低不純物濃度半導体層が形成され、上記フォトダイオード部における上記低不純物濃度半導体層と上記第２導電型半導体層との境界部には第２導電型の高不純物濃度半導体層が形成されており、上記高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面する部分は、上記低不純物濃度半導体層によって完全に取り囲まれている構造であるから、拡散電流成分の低減と同時に、内部直列抵抗の低減が実現でき、フォトダイオードの応答速度を高速化することができる。このとき、上記高不純物濃度半導体層の深さが上記低不純物濃度半導体層の深さよりも浅いため、光感度の低下幅は小さい。
本発明に係る回路内蔵受光素子の第２のものによれば、フォトダイオード部における上記第１導電型半導体基板の表面には第２導電型の低不純物濃度半導体層が形成され、上記フォトダイオード部における上記低不純物濃度半導体層と上記第２導電型半導体層との境界部には第２導電型の高不純物濃度半導体層が形成されており、上記高不純物濃度半導体層を複数の領域に分割し、上記分割された夫々の高不純物濃度半導体層における上記低不純物濃度半導体層に面する部分は、上記低不純物濃度半導体層によって完全に取り囲まれていることで、上記フォトダイオード部が形成される領域の光キャリアライフタイム低下を抑えることができ、さらに光感度の低下の防止効果を大きくすることができる。
【００１２】
【実施例】
図１は本発明の一実施例の略断面図である。図９の従来例とは、フォトダイオードの部分のＮ-型拡散層２に重ねて高濃度のＮ+型拡散層３を埋込んだことが異なっている。
【００１３】
図２は本発明の他の実施例の略断面図である。この実施例は図１の実施例の回路内蔵受光素子の信号処理回路に縦型ＰＮＰトランジスタを追加したものである。
【００１４】
図３〜図５は、図２の構造を得るための各工程の略断面図であるが、縦型ＰＮＰトランジスタに関する部分を除けば、図１の構造を得るための各工程となる。
【００１５】
まず、図３に示すように、Ｐ型シリコン基板１のフォトダイオード形成予定領域と縦型ＰＮＰトランジスタ形成予定領域に低濃度のＮ- 型拡散層２を同時に形成する。縦型ＰＮＰトランジスタ形成予定領域のＮ-型拡散層２はコレクタ分離用である。これらの拡散層は別々に形成することも可能であるが、ただし工程数が増加する。
【００１６】
次に図４に示すように、フォトダイオード形成予定領域およびＮＰＮトランジスタ形成予定領域に高濃度のＮ+型拡散層３を同時に形成する。これらの拡散層も別々に形成できるが、ただし工程が増加する。続いて、素子間分離領域および縦型ＰＮＰトランジスタ形成予定領域にＰ+型拡散層４を埋込んで形成する。
【００１７】
さらに図５に示すように、表面全面にＮ型エピタキシャル層５を成長させ、素子間分離領域および縦型ＰＮＰトランジスタのコレクタ端子引出領域にＰ+型拡散層６を形成し、縦型ＰＮＰトランジスタのＮ型ベース拡散層７を形成する。
【００１８】
以後通常のバイポーラＩＣ製造工程を経て図２の構造を得る。すなわち、ＮＰＮトランジスタのベースおよび縦型ＰＮＰトランジスタのエミッタとなるＰ+型拡散層８,８を形成し、最後にＮＰＮトランジスタのエミッタとなるＮ+型拡散層９を形成する。
【００１９】
このような工程を経て、図２の回路内蔵受光素子を実現することにより、図９の従来例に対してフォトダイオードの内部直列抵抗は、Ｎ-型拡散層２およびこれより浅いＮ+型拡散層３の存在により、大幅に低減される。Ｎ-型拡散層２のシート抵抗は通常１０ＫΩ/□程度であるのに対し、Ｎ+型拡散層３のシート抵抗は２０Ω/□程度であり、フォトダイオードカソード側直列抵抗は大幅に低減できる。
【００２０】
発明が解決しようとする課題の項で述べたように、図９の従来例の構造において、フォトダイオード部に埋込まれているＮ- 型拡散層２の不純物濃度を高くすると、その部分におけキャリアライフタイムが低下することによって光感度が低下してしまう。Ｎ-型拡散層２の上端がフォトダイオード表面から２μm，下端がフォトダイオード表面から９μmである場合、入射光波長を８５０nmとするとＮ-型拡散層２中で発生する光キャリアの割合は、３６.５％と見積もられる。Ｎ-型拡散層２の不純物濃度をこのＮ-型拡散層２で発生する光キャリアが光電流に寄与しない不純物濃度であるとすると、光感度は図８の構造のものに対して３６.５％低下する。これに対して、図１および２の構造においては、高濃度のＮ+型拡散層３の上端がフォトダイオード表面から２μm、下端がフォトダイオード表面から６.５μmとすると、高濃度のＮ+型拡散層３中で発生する光キャリアの割合は２５.７％と見積もられる。このＮ+型拡散層３の不純物濃度をこのＮ+型拡散層３中で発生した光キャリアが電流に寄与しない不純物濃度であるとすると、図１および２の構造では、図８の構造のものに対して光感度低下は２５.７％に留まり、図９の構造に対して１０.８％の光感度改善が実現できる。
【００２１】
図６は、さらに光感度を向上させるための他の実施例の断面図である。図６の構造においては、高濃度の埋込まれているＮ+型拡散層３を複数の領域に分割し、フォトダイオード内部直列抵抗を低減しながら、Ｎ+型拡散層３の面積を低減し、光感度の低下を抑制する。
【００２２】
たとえば、Ｎ+型拡散層３を入れない場合には、フォトダイオードが１mm×１mmの正方形でカソードコンタクトをそのうちの一辺に形成した形状で、光が全面に照射されているとすると、その内部直列抵抗Ｒは、トランジスタのベース抵抗の計算と同一の方法で求められ(１９６２年マグローヒル社発行「トランジスタエンジニアリング」Ｐ２１１〜２１６)、
【００２３】
【数１】
0003544567.tif 000002
【００２４】
となる。これに対して図６のようなフォトダイオードについて考える。図７は図６の方式のフォトダイオードの平面図である。これは、フォトダイオードが１mm×１mmの正方形でアノードコンタクト２０とカソードコンタクト２１がフォトダイオードの両辺に対向して設けられ、フォトダイオードのＰＮ接合部に１mm×１mmのＮ+型拡散層３が形成され、それに１辺０.１１３８mmの正方形の窓２２,２２…が８個ずつ８列に０.０１０mmの間隔で配列され、その窓からＮ-型拡散層２が露出している例である。シート抵抗２０Ω/□のＮ+型拡散層３を入れた場合、光がアノードコンタクト２０近傍に照射されたとすると、２０Ω/□のシート抵抗で幅１０μm，長さ１mmの抵抗が９本並列になった等価回路と見積もられ、内部直列抵抗は、
【００２５】
【数２】
0003544567.tif 000003
【００２６】
となる。これは最悪の場合に相当するものであり、光が全面に照射されている場合には、直列抵抗はこれより下がると考えられる。
【００２７】
また、図８の構造のものに対する光感度の低下幅は、Ｎ+型拡散層３の面積がフォトダイオードの面積に占める割合より求められ、
【００２８】
【数３】
0003544567.tif 000004
【００２９】
と大幅に低減できる。以上述べたように、本発明を適用すれば、フォトダイオード部における拡散電流成分の低減およびカソードが直列抵抗の低減を同時に実現することができ、高速の回路内蔵受光素子を実現することができる。また、フォトダイオード部に埋込まれる高濃度のＮ+型拡散層を浅く形成することおよび分割して形成することにより、光感度の低下を生じることもない。さらに、フォトダイオード部に埋込まれているＮ-型拡散層は縦型ＰＮＰトランジスタのコレクタ分離用Ｎ型埋込拡散層と同時に形成し、高濃度のＮ+型埋込拡散層はＮＰＮトランジスタのコレクタ埋込拡散層と同時に形成することで通常のバイポーラＩＣ作成工程に比べ、工程を増加させることなく、本発明の回路内蔵受光素子を実現できる。
【００３０】
【発明の効果】
上述のように、第１導電型半導体基板とその上に形成した第２導電型半導体層とによって構成されるフォトダイオード部に、上記第１導電型半導体基板の表面に第２導電型の低不純物濃度半導体層を形成し、上記低不純物濃度半導体層と上記第２導電型半導体層との境界部に第２導電型の高不純物濃度半導体層を形成したことにより、光キャリアの拡散電流成分の低減およびフォトダイオードのＣＲ時定数の低減が同時に実現でき、高速の回路内蔵素子が実現できる。
【００３１】
また、上記高不純物濃度半導体層の深さを上記低不純物濃度半導体層の深さよりも浅く形成し、さらに、分割して形成することで、光感度の低下を防止できる。
【００３２】
この発明の効果は、大きなフォトダイオード面積が必要であるためにフォトダイオード接合容量が大きくなる光空間伝送用の回路内蔵受光素子や、フォトダイオード形状が細長く内部直列抵抗が大きくなる光ピックアップ用の回路内蔵受光素子において、特に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の略断面図である。
【図２】本発明の一実施例の略断面図である。
【図３】図２の構造を得るための一工程の略断面図である。
【図４】図２の構造を得るための一工程の略断面図である。
【図５】図２の構造を得るための一工程の略断面図である。
【図６】他の実施例の略断面図である。
【図７】図６の構造の特徴を説明するためのパターンの一例である。
【図８】従来の一例の略断面図である。
【図９】従来の一例の略断面図である。
【符号の説明】
１  Ｐ型シリコン基板
２  Ｎ-型拡散層
３  Ｎ+型拡散層
４  Ｐ+型拡散層
５  Ｎ型エピタキシャル層
６  Ｐ+型拡散層
８  Ｐ+型拡散層
９  Ｎ+型拡散層
【図１】
0003544567.tif 000005
【図２】
0003544567.tif 000006
【図３】
0003544567.tif 000007
【図４】
0003544567.tif 000008
【図５】
0003544567.tif 000009
【図６】
0003544567.tif 000010
【図７】
0003544567.tif 000011
【図８】
0003544567.tif 000012
【図９】
0003544567.tif 000013