(57)【要約】【課題】光半導体装置の受光素子部の動作特性を向上させると共に、バイポーラトランジスタやＭＯＳトランジスタ等と共に集積化が可能な光半導体装置を提供する。【解決手段】光半導体装置は、入射光を電流信号に変換し且つ電流増幅動作を行う受光動作部５１を有する受光素子部５０をＰ- 型半導体基板１上に備えている。受光素子部５０は、Ｐ- 型半導体基板１上に形成され且つＰ- 型半導体基板１と比べて同等以下の不純物濃度を有するＰ- 型半導体層２と、Ｐ- 型半導体層２上に形成され且つＰ- 型半導体層２よりも高い不純物濃度を有するＮ+ 型半導体領域８と、Ｐ- 型半導体基板１とＰ- 型半導体層２との間に選択的に形成され且つＰ- 型半導体基板１及びＰ- 型半導体層２よりも高い不純物濃度を有するＰ+ 型半導体領域５とを備えている。【選択図】図１
2009260160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電流信号に変換し且つ電流増幅動作を行う受光動作部を有する受光素子を第１導電型の半導体基板上に備えた光半導体装置であって、
前記受光動作部は、
前記半導体基板上に形成され且つ前記半導体基板と比べて同等以下の不純物濃度を有する半導体層と、
前記半導体層上に形成され且つ前記半導体層よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の第１半導体領域と、
前記半導体基板と前記半導体層との間に選択的に形成され且つ前記半導体基板及び前記半導体層よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第２半導体領域とを備えていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光半導体装置において、
前記半導体層の導電型は第１導電型であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光半導体装置において、
前記受光動作部を区画する素子分離絶縁層と、
前記素子分離絶縁層を挟んで前記受光動作部の外側に形成された第１導電型の第３半導体領域とをさらに備えていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光半導体装置において、
前記第３半導体領域の不純物濃度は前記半導体基板よりも高いことを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の光半導体装置において、
前記第２半導体領域は、前記素子分離絶縁層に囲まれた領域に配置されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記半導体基板と前記第３半導体領域との間に形成された第１導電型の第４半導体領域をさらに備えていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光半導体装置において、
前記第４半導体領域の不純物濃度は前記半導体基板よりも高いことを特徴とする光半導体装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の光半導体装置において、
前記素子分離絶縁層の底面は、前記第４半導体領域の底面よりも上側に位置することを特徴とする光半導体装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記第２半導体領域の不純物濃度は、前記第４半導体領域の不純物濃度と比べて同等以上であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記第２半導体領域と前記第１半導体領域との間には前記半導体層の一部分が介在していることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光半導体装置において、
前記第２半導体領域と前記第１半導体領域との間に介在している部分の前記半導体層において前記電流増幅動作を行うことを特徴とする光半導体装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光半導体装置において、
前記第２半導体領域と前記第１半導体領域との間に介在している部分の前記半導体層に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、それによって前記電流増幅動作を行うことを特徴とする光半導体装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記第２半導体領域は、互いに分離した複数の部分から構成されており、当該複数の部分の間には前記半導体層の一部分が介在していることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
バイポーラトランジスタを有する第１のトランジスタ部を前記半導体基板上にさらに備えていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
ＭＯＳトランジスタを有する第２のトランジスタ部を前記半導体基板上にさらに備えていることを特徴とする光半導体装置。
【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】
光半導体装置の１つとして、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及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。ＯＥＩＣ装置は、光信号を電気信号へ変換する機能を持つ各種の光センサ装置や光ディスク用の光ピックアップ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装置に対しては、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ついては、赤外光を用いるＣＤ（Compact Disc）や赤色光を用いるＤＶＤ（Digital Versatile Disc）に用いられるだけではなく、近年、青色光を用いるＢＤ（Blue Digital Versatile Disc ）にも用いられるようになってきているため、１つの光ピックアップ装置で波長の異なる３種類の光源信号を検出できることが要望されている。すなわち、従来の赤外光及び赤色光に対する受光感度及び高速応答性を備えたＯＥＩＣ装置に加えて、新たに青色光に対する受光感度及び高速応答性を備えたＯＥＩＣ装置が要望されている。
【０００４】
一方、近年、空間伝送分野における各種端末間での大容量データ転送において、従来の無線通信方式に代わる、蛍光灯や可視光ＬＥＤを利用した可視光通信方式での光センサ装置の利用価値が高まってきている。特に、室内照明を使用した可視光通信方式においては、照明機器の省電力化のためのＬＥＤ照明の開発が加速しており、このような照明用ＬＥＤを使った高速データ伝送の実現が可能な状況となってきており、可視光通信方式は、例えば家庭内で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なるものと期待されている。
【０００５】
以下、第１従来例として、増幅型フォトダイオード素子の構造について説明する（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
図６（ａ）は、第１従来例に係る光半導体装置の断面構造図である。図６（ａ）に示すように、第１従来例の光半導体装置においては、比抵抗が１５０Ω・ｃｍ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が形成されており、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。また、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。
【０００７】
Ｐ+ 型半導体層８４の周縁部上には、Ｐ+ 型半導体層８４よりも不純物濃度が高い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す。
【０００８】
また、Ｎ+ 型半導体層８２の端部上には、Ｐ- 型半導体層８３を貫通するように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す。Ｎ++型半導体層８６と、Ｐ+ 型半導体層８４及びＰ++型半導体層８５との間には素子分離絶縁層９１が形成されている。Ｎ++型半導体層８６、Ｐ+ 型半導体層８４及びＰ++型半導体層８５を覆うように表面保護膜９２が形成されている。保護膜９２を貫通して、アノードコンタクト層となるＰ++型半導体層８５に接続するアノード電極８７、及びカソードコンタクト層となるＮ++型半導体層８６に接続するカソード電極８８が形成されている。尚、第１従来例の光半導体装置において、受光素子の受光領域（入射光を電流信号に変換し且つ電流増幅動作を行う受光動作部）を符号８９で示す。
【０００９】
以上のように構成された、第１従来例の光半導体装置の受光動作部の動作について、図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す第１従来例の光半導体装置における縦方向の不純物濃度（ａｂ間の不純物濃度）を示す図であり、図６（ｃ）は、第１従来例の光半導体装置における縦方向のエネルギーバンド（ａｂ間のエネルギーバンド）を示す図である。
【００１０】
まず、第１従来例の光半導体装置において、受光領域８９に入射した光は、表面保護膜層９２を透過してＰ+ 型半導体層８４の表面に照射される。入射光を構成するフォトンは、物性定数である光吸収係数に従って指数関数的に半導体内に吸収されるため、入射光は減衰しながら、より下層の半導体層内に進入し、やがて消滅する。半導体内に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。図６（ｂ）に示すように、装置表面近傍のＰ+ 型半導体層８４は高濃度領域である。一方、図６（ｃ）に示すように、この高濃度領域のエネルギーバンドはフラットであるため、この高濃度領域で吸収されたフォトンによって生じた電子正孔対の動作については拡散動作が支配的となる。
【００１１】
次に、第１従来例の光半導体装置において、Ｐ+ 型半導体層８４を透過した入射光はＰ- 型半導体層８３の表面に照射される。図６（ｂ）に示すように、Ｐ- 型半導体層８３は濃度傾斜を持つ低濃度領域であるため、Ｐ- 型半導体層８３で生成された電子正孔対は、図６（ｃ）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で生成された電子正孔対の動作については電界ドリフト動作が支配的となり、その結果、Ｐ- 型半導体層８３内において応答速度が最も高速となる。また、アノード電極８７とカソード電極８８との間に高電圧を印加することにより、Ｐ- 型半導体層８３のポテンシャル勾配領域におけるポテンシャルエネルギー差が大きく広がってポテンシャル勾配が急峻になる。すなわち、高電圧印加によって生成キャリヤの増幅作用（雪崩（アバランシェ）増幅）を発生させることができ、それによって光電流を増幅させることが可能となる。
【００１２】
以下、第２従来例として、増幅型フォトダイオード素子の構造について説明する（例えば特許文献２参照）。
【００１３】
図７（ａ）は、第２従来例に係る光半導体装置の断面構造図である。尚、図７（ａ）において、図６（ａ）に示す第１従来例の光半導体装置と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。図７（ａ）に示すように、第２従来例の光半導体装置が、図６（ａ）に示す第１従来例の光半導体装置と異なっている点は、Ｐ-型半導体層８３の内部に、Ｐ-型半導体層８３よりも高濃度で且つＮ+ 型半導体層８２よりも低濃度のＰ+ 型半導体層９０が選択的に形成されていることである。尚、Ｐ+ 型半導体層９０を設けたことにより、第２従来例の光半導体装置のＰ+ 型半導体層８４は、第１従来例の光半導体装置と比べて薄く形成されている。
【００１４】
以上のように構成された、第２従来例の光半導体装置の受光動作部の動作について、図７（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す第２従来例の光半導体装置における縦方向の不純物濃度（ａｂ間の不純物濃度）を示す図であり、図７（ｃ）は、第２従来例の光半導体装置における縦方向のエネルギーバンド（ａｂ間のエネルギーバンド）を示す図である。
【００１５】
第２従来例の光半導体装置の特徴は、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｐ+ 型半導体層９０によって、Ｐ-型半導体層８３の内部に高濃度領域が形成されていることである。このため、図７（ｃ）のエネルギーバンド構造に示すように、アノード電極８７とカソード電極８８との間に低電圧を印加した場合にも、Ｐ+ 型半導体層９０によって、Ｐ+ 型半導体層９０とＮ+ 型半導体層８２との間に急峻な電位勾配を実現することができる。すなわち、この急峻な電位勾配が存在する領域においては、低電圧印加によって生成キャリヤの増幅作用（アバランシェ増幅）を発生させることができ、それによって光電流を増幅させることが可能となる。
【００１６】
以下、第３従来例として、フォトダイオード素子とバイポーラトランジスタ素子とがモノリシックに形成されたＯＥＩＣ装置について説明する（例えば特許文献３参照）。
【００１７】
図８は、第３従来例に係る光半導体装置の断面図である。図８に示すように、第３従来例の光半導体装置においては、比抵抗が１５０Ω・ｃｍの低不純物濃度のＰ型シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板１０１の上に、高濃度の不純物を含む半導体からなるＰ+ 型半導体層１０２が形成されており、Ｐ+ 型半導体層１０２の上には、該Ｐ+ 型半導体層１０２よりも不純物濃度が低いＰ- 型半導体層１０３が形成されている。また、Ｐ- 型半導体層１０３の上には、該Ｐ- 型半導体層１０３よりも不純物濃度が高いＮ型半導体層１０４が形成されている。Ｐ+ 型半導体層１０２における不純物濃度のピーク位置は、Ｎ型半導体層１０４の上面から約１０μｍの深さに設定されている。Ｎ型半導体層１０４の厚さは、ＶＰＮＰ−Ｔｒ（縦型ＰＮＰバイポーラトランジスタ）を形成するために２μｍに設定されている。
【００１８】
Ｐ- 型半導体層１０３及びＮ型半導体層１０４には、受光素子部１００と第１トランジスタ部２００と第２トランジスタ部２２０とが形成されている。受光素子部１００と第１トランジスタ部２００と第２トランジスタ部２２０とは互いに素子分離絶縁膜１０５によって電気的に絶縁分離されている。Ｎ型半導体層１０４上には、各電極形成領域を除いて、受光素子部１００、第１トランジスタ部２００及び第２トランジスタ部２２０を覆うように表面保護膜１５０が形成されている。
【００１９】
受光素子部１００におけるＮ型半導体層１０４の最上部には、Ｎ型半導体層１０４よりも不純物濃度が高いＮ+ 型半導体領域１０６が形成されている。ここで、Ｎ+ 型半導体領域１０６の厚さは０．１５μｍ以下である。受光素子部１００のカソードは、Ｎ+ 型半導体領域１０６の周辺部に形成されているカソードコンタクト領域１０７と、カソードコンタクト領域１０７上に形成されているＮ型多結晶半導体層１０８ａと、Ｎ型多結晶半導体層１０８ａ上に形成されているカソード電極１０９とから構成されている。受光素子部１００のアノードは、受光素子部１００の周辺部に形成されているＰ+ 型埋め込み領域１１０と、Ｐ+ 型埋め込み領域１１０上に形成されているＰ型アノードコンタクト領域１１１と、アノードコンタクト領域１１１上に形成されているＰ型多結晶半導体層１１２と、Ｐ型多結晶半導体層１１２上に形成されているアノード電極１１３とから構成されている。尚、カソードコンタクト領域１０７とＰ型アノードコンタクト領域１１１とは素子分離絶縁膜１０５によって電気的に絶縁分離されている。
【００２０】
一方、ＮＰＮバイポーラトランジスタが設けられた第１のトランジスタ部２００は、Ｎ型半導体層１０４上に形成されており、素子分離絶縁膜１０５とＰ+ 型埋め込み領域１１０とによって、受光素子部１００及び第２のトランジスタ部２２０のそれぞれから電気的に絶縁分離されて形成されている。第１のトランジスタ部２００のコレクタは、埋め込みコレクタ領域１１４と、埋め込みコレクタ領域１１４上に形成されたＮ型コレクタコンタクト領域１１５と、Ｎ型コレクタコンタクト領域１１５上に形成されたＮ型多結晶半導体層１０８ｂと、Ｎ型多結晶半導体層１０８ｂ上に形成されたコレクタ電極１１６とから構成されている。第１のトランジスタ部２００のベース部は、埋め込みコレクタ領域１１４上に形成された活性ベース領域１１７と、活性ベース領域１１７と隣接するように形成されたコンタクトベース領域１１８と、コンタクトベース領域１１８上に形成されたＰ型多結晶半導体層１１２と、Ｐ型多結晶半導体層１１２上に形成されたベース電極１２０とから構成されている。第１のトランジスタ部２００のエミッタ部は、活性ベース領域１１７上に形成されたエミッタ領域１１９と、エミッタ領域１１９上に形成されたＮ型多結晶半導体層１０８ｃと、Ｎ型多結晶半導体層１０８ｃ上に形成されたエミッタ電極１２１とから構成されている。
【００２１】
ＶＰＮＰ−Ｔｒが設けられた第２のトランジスタ部２２０においては、Ｐ- 型半導体層１０３中にＮ型埋め込み層１３０が形成されており、Ｐ- 型半導体層１０３上のＮ型半導体層１０４中にＰ型埋め込みコレクタ領域１３１が形成されている。すなわち、Ｎ型埋め込み層１３０上にＰ型埋め込みコレクタ領域１３１が形成されている。尚、Ｎ型半導体層１０４の厚さは、Ｐ型埋め込みコレクタ領域１３１を十分に確保するために約２μｍに設定されている。第２のトランジスタ部２２０のコレクタは、Ｐ型埋め込みコレクタ領域１３１と、Ｐ型埋め込みコレクタ領域１３１上に形成されたコレクタコンタクト領域１３２と、コレクタコンタクト領域１３２上に形成されたＮ型多結晶半導体層１０８ｄと、Ｎ型多結晶半導体層１０８ｄ上に形成されたコレクタ電極１３３とから構成されている。第２のトランジスタ部２２０のベースは、Ｐ型埋め込みコレクタ領域１３１上に形成された活性ベース領域１３４と、活性ベース領域１３４と隣接するように形成されたコンタクトベース領域１３５と、コンタクトベース領域１３５上に形成されたＰ型多結晶半導体層１１２と、Ｐ型多結晶半導体層１１２上に形成されたベース電極１３６とから構成されている。第２のトランジスタ部２２０のエミッタは、活性ベース領域１３４上に形成されたエミッタ領域１３７と、エミッタ領域１３７上に形成されたＮ型多結晶半導体層１０８ｅと、Ｎ型多結晶半導体層１０８ｅ上に形成されたエミッタ電極１３８とから構成されている。このように、図８に示す構成によって、第２のトランジスタ部２２０としてＶＰＮＰ−Ｔｒを形成することが可能となる。
【００２２】
以上のように構成された、第３従来例の光半導体装置の受光素子部の動作について、図８及び図９（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。図９（ａ）は、図８に示す第３従来例の光半導体装置の受光素子部における縦方向の不純物濃度を示す図であり、図９（ｂ）は、第３従来例の光半導体装置の受光素子部における縦方向のエネルギバンドを示す図である。
【００２３】
まず、第３従来例の光半導体装置において、受光素子部１００に入射した光は、Ｎ+ 型半導体領域１０６の表面に照射され、Ｎ+ 型半導体領域１０６を透過した後、Ｎ型半導体層１０４の表面に照射される。図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｎ+ 型半導体領域１０６及びＮ型半導体層１０４において生成されたキャリヤは、Ｎ型半導体層１０４とＮ+ 型半導体領域１０６との不純物濃度差に起因するポテンシャル勾配ａによって加速された後、Ｎ型半導体層１０４のフラット領域ｄを拡散によって移動する。移動したキャリヤはＰ- 型半導体層１０３に到達する。ここで、受光素子部１００のカソード電極１０９に予め逆バイアス電圧が印加されているため、受光素子部１００の周辺部に位置するＰ+ 型埋め込み領域１１０によって囲まれた、Ｐ- 型半導体層１０３からＰ+ 型半導体層１０２までの領域には空乏層が形成されている。従って、Ｐ- 型半導体層１０３に到達したキャリヤは、該空乏層内をドリフト電流として高速に移動するので、受光素子部１００は高速応答を実現できる。
【００２４】
また、半導体基板１０１まで到達した入射光は、半導体基板１０１内にキャリヤを生成するが、生成されたキャリヤは拡散によって任意の方向に移動する。ここで、拡散によって決まる、キャリヤの移動速度は遅く、また、キャリヤの一部は再結合により消滅する。再結合により消滅しなかったキャリヤは、Ｐ+ 型半導体層１０２の近辺にまで到達するものの、Ｐ+ 型半導体層１０２と半導体基板１０１との間の不純物濃度差によるポテンシャル障壁が存在するため、キャリヤである電子は半導体基板１０１からＰ+ 型半導体層１０２及びＰ- 型半導体層１０３までは到達することができずに再結合して消滅する。従って、半導体基板１０１内を拡散により移動するキャリヤを実質的に全て消滅させることができるので、受光素子部１００はより高速な応答を実現できる。
【特許文献１】特開２０００−２５２５０７号公報
【特許文献２】特開平１１−４５９８８号公報
【特許文献３】特開２００６−１２０９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
光ピックアップ装置には、赤外光を用いるＣＤ用及び赤色光を用いるＤＶＤ用に加えて、青色光を用いる高密度ＤＶＤ用の計３タイプがある。高密度ＤＶＤ用の光ピックアップ装置に対しては、高密度ＤＶＤのデータ密度が大きいために高速応答性が要望されている。従って、光ピックアップ装置において信号検出を行う受光デバイスに対しては、青色光に対する十分な受光感度と高速応答性とが望まれる。ここで、３タイプの光（赤外光、赤色光、青色光）のそれぞれの光波長に対する半導体の光吸収量について説明する。半導体の光吸収量は入射光の波長に依存し、特定の波長の入射光に対する入射面からの深さｔにおける半導体の光吸収量は、１−ｅ-αt（但し、ｅは自然対数の底であり、αは特定の波長の入射光に対する半導体の吸収係数である）と表すことができる。例えば、シリコン半導体の光吸収量が約９０％となる入射面からの深さは、波長が７８０ｎｍの赤外光で約２４μｍとなり、波長が６５０ｎｍの赤色光で約７．７μｍとなり、波長が４０５ｎｍの青色光で約０．６μｍとなる。
【００２６】
尚、受光デバイスの受光特性、具体的には受光感度及び応答速度を向上させるためには、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、この電子又は正孔を電流に寄与するキャリヤとして電気的に高効率で取り出せる構造が必要である。
【００２７】
また、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ことと、高周波の光信号を検出できる性能とが求められる。ここで、信号源となる照明光の特徴は、広域照射光であること、及び白色光を使っていることである。また、広域照射光に対する受光特性の特徴は、広域照射では単位面積当たりの光量が距離に依存するため、受光領域に取り込まれる入射光量が伝送距離により変動することである。さらに、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。従って、可視光通信装置用の受光素子には、可視光波長の全域に対して受光感度特性を有していることが必要となる。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ことが必要となるので、高受光感度性能が必須となる。具体的には、家庭内照明を用いる場合、およそ数メートの距離内で光信号を検出できる受光感度性能が必要となり、業務用照明を用いる場合、およそ数十メートルの距離内で光信号を検出できる受光感度性能が必要となる。
【００２８】
さらに、以上に述べた受光素子を使用した装置においては、高機能化を目的とする信号制御回路の多機能化に起因する消費電力の増大に対して、環境面から低消費電力化が要望されている。
【００２９】
以上に述べたように、受光素子に対しては、その利用分野を問わず、低電圧動作での高受光感度及び高速応答性が要求されている。
【００３０】
図６（ａ）に示すように、第１従来例の光半導体装置においては、全光波長域に対して高受光感度及び高速応答性を実現するために、Ｐ- 型半導体層８３の厚さを大きくとり、長波長の光に対する吸収性の確保及び低容量化が図られている。また、第１従来例の光半導体装置においては、図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、Ｎ+ 型半導体層８２とＰ+ 型半導体層８４との間に十分な大きさの空乏層を形成する必要がある。例えば、波長が６５０ｎｍの赤色光の場合、この空乏層は厚さ７．７μｍ以上の領域となる。
【００３１】
しかしながら、このような空乏層においてアバランシェ増幅動作を起こさせるためには、約６０Ｖ以上の逆バイアス状態、つまり大電力が必要となり、低消費電力化を実現することはできない。
【００３２】
それに対して、低電圧動作及び増幅動作を両立させるために、図７（ａ）に示す第２従来例に係る光半導体装置が提案されている。第２従来例に係る光半導体装置においては、図７（ｂ）に示すように、Ｐ+ 型半導体層９０とＰ+ 型半導体層８４との間にＰ-型半導体層８３の領域が薄く形成されることになる。このため、図７（ｃ）に示すように、Ｐ+ 型半導体層９０とＰ+ 型半導体層８４とに挟まれたＰ型半導体層８３の領域において、急峻な電位ポテンシャル勾配を持つ空乏層が形成されるので、低電圧印加によってアバランシェ増幅動作が可能となる。
【００３３】
しかしながら、第２従来例に係る光半導体装置においては、装置表面からＰ+ 型半導体層９０の近傍までの領域における光吸収によって生成された電子及び正孔は、アバランシェ増幅動作に寄与することができない。従って、短波長の光に対しては高受光感度を実現することができない。
【００３４】
また、図８に示す第３従来例に係る光半導体装置においては、Ｎ型半導体層１０４の厚さを２μｍと薄く設定しているため、図９（ｂ）に示すように、電位ポテンシャル勾配が平坦なフラット領域ｄが支配的な構造となる。このため、該フラット領域ｄを移動するキャリヤの移動距離が長くなるので、Ｐ- 型半導体層１０３とＮ型半導体層１０４とによって発生した空乏層にキャリアが到達するまでの時間が長くなる。その結果、応答速度が低下してしまうという問題が生じる。また、キャリヤの移動距離が長くなると、キャリヤの再結合量が増えるので、受光感度が低下するという問題も生じる。
【００３５】
特に、波長が４０５ｎｍの青色光の場合、シリコン半導体の光吸収量が約９０％となる入射面からの深さは約０．６μｍであるため、装置表面の非空乏層領域でキャリヤが生成されるので、前述のキャリヤの移動距離が長くなる現象の影響が顕著となり、応答速度及び受光感度が大きく低下してしまう。尚、第３従来例に係る光半導体装置において、Ｎ型半導体層１０４を厚くすれば、受光素子の感度は向上するものの、同一基板上に形成されているトランジスタの特性は低下する。すなわち、受光素子及びトランジスタ（特にＶＰＮＰ−Ｔｒ）の同一基板上での形成において、受光感度及びトランジスタ特性のそれぞれとＮ型半導体層１０４の厚さとの間にはトレードオフの関係があり、受光感度及びトランジスタ特性を同時に向上させることは困難である。
【００３６】
また、第３従来例に係る光半導体装置においては、図８に示すように、Ｐ+ 型埋め込み領域１１０とＰ+ 型半導体層１０２との間にＰ- 型半導体層１０３の高抵抗領域が存在するため、受光素子部１００の周波数特性が劣化するという問題もある。尚、第３従来例に係る光半導体装置においては、この直列抵抗の低減を図るために、Ｐ+ 型埋め込み領域１１０の幅が比較的大きくなるようにレイアウト設定されているが、これによって受光素子部１００の周辺領域が大きくなってしまい、その結果、チップ面積を縮小できないという別の問題が生じている。
【００３７】
さらに、いずれの従来例においても、青色光の波長は他の赤色光や赤外光と比較して短波長であるため、１フォトン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くなる。このため、青色光によって生成されるキャリヤ量も少なくなるため、受光感度が低下する。具体的には、量子効率が１００％（１フォトンに対して１電子正孔対が生成される効率）とすると、波長が７８０ｎｍの赤外光に対する受光感度は０．６３Ａ／Ｗであり、波長が６５０ｎｍの赤色光に対する受光感度は０．５２Ａ／Ｗであり、波長が４０５ｎｍの青色光に対する受光感度は０．３３Ａ／Ｗである。従って、青色光に対応したＯＥＩＣの回路においては、ゲイン抵抗を他の波長光用の回路よりも大きくする必要があり、結果として回路周波数特性の低下が生じる。また、青色光に対する受光感度が低いため、ＯＥＩＣとしてのノイズ特性が悪くなるという問題も発生する。
【００３８】
前記に鑑み、本発明は、光半導体装置の受光素子の動作特性（受光感度及び高速応答性）を向上させること、及び、ＮＰＮトランジスタやＶＰＮＰトランジスタなどの素子と共に受光素子を容易に搭載できる光半導体装置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】
【００３９】
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し且つ電流増幅動作を行う受光動作部を有する受光素子を第１導電型の半導体基板上に備えた光半導体装置であって、前記受光動作部は、前記半導体基板上に形成され且つ前記半導体基板と比べて同等以下の不純物濃度を有する半導体層と、前記半導体層上に形成され且つ前記半導体層よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の第１半導体領域と、前記半導体基板と前記半導体層との間に選択的に形成され且つ前記半導体基板及び前記半導体層よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第２半導体領域とを備えている。
【００４０】
本発明に係る光半導体装置によると、光電流を発生すると共に電流増幅動作を行う受光動作部を有する受光素子が半導体基板上に設けられているため、入射光として受け取った光信号を光電流に変換し且つ増幅することができるので、入射光のパワーが小さい場合にも光信号の検出を行うことができる。
【００４１】
特に、本発明に係る光半導体装置においては、高不純物濃度を有する第２導電型の第１半導体領域と高不純物濃度を有する第１導電型の第２半導体領域とに挟まれた半導体層において、低電圧印加によってアバランシェ増幅動作を行うことができるので、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。このため、第２導電型の第１の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るので、高速応答性も向上させることができる。また、第２導電型の第１の半導体領域を厚くする必要がないので、赤外光や赤色光だけでは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。さらに、半導体基板と半導体層との間に第１導電型の第２半導体領域を選択的に形成しているため、第２半導体領域の形成されていない領域においては、第２導電型の第１の半導体領域から十分な離れた位置にも低不純物濃度の半導体層が存在するので、電位勾配が比較的緩やかになり、空乏層が十分に広がった状態となる。従って、低容量化を実現することができるので、周波数特性を向上させることもできる。
【００４２】
また、本発明に係る光半導体装置においては、受光素子を構成する各半導体領域の形成工程を、トランジスタを構成する各半導体領域の形成工程と共通化することができるため、受光素子と各種トランジスタとを同一基板上に容易に集積化することが可能となる。
【００４３】
さらに、本発明に係る光半導体装置によると、第２導電型の第１の半導体領域を厚くする等の特段の構成を用いることなく、受光素子の受光感度を十分に高くすることができるため、同一基板上に各種トランジスタを設ける場合にも、受光素子の特性を確保するために各種トランジスタの構造が受けなければならない制限を小さくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明に係る光半導体装置によると、第１の半導体領域や半導体層で生じたキャリヤを受光動作部において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及び高速応答性を得ることができる。また、第２の半導体領域によって、電流増幅動作を発生させるアバランシェ電圧を低電圧に設定できるので、光半導体装置の低消費電力化が可能となり、多岐に亘る用途での使用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置、具体的には、入射光を電流信号に変換し且つ電流増幅動作を行う受光動作部を有する受光素子を備えた光半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
図１は、第１の実施形態に係る光半導体装置における受光素子部の一例を示す断面図である。尚、本実施形態の受光素子部５０は、入射光を電流信号に変換する受光領域（受光動作部）５１内の表面近傍でアバランシェ増幅により電流増幅動作を行う。
【００４７】
図１に示すように、例えば比抵抗が１００Ω・ｃｍ〜２００Ω・ｃｍ程度の低不純物濃度（例えば約１×１０14ｃｍ-3）のＰ型シリコン（Ｓｉ）よりなるＰ- 型半導体基板１の上に、例えば厚さが２μｍで不純物濃度がＰ- 型半導体基板１と同等以下（例えば約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。
【００４８】
このように形成されたエピタキシャル基板の主面（回路形成面）は、局所的に形成したトレンチに酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）を埋め込んでなる素子分離絶縁層７によって、受光素子部５０、第１のトランジスタ部６０及び第２のトランジスタ部７０のそれぞれの形成領域に区画されている（トランジスタ部６０及び７０については図５参照）。尚、素子分離絶縁層７は、アノード電極１０とカソード電極１１との間の領域の下方や、受光素子部５０と第１のトランジスタ部６０との境界では、Ｐ- 型半導体層２よりも深くまで形成されている。尚、アノード電極１０及びカソード電極１１並びに各トランジスタ部の電極（第２の実施形態参照）を除くエピタキシャル基板の主面上には、パッシべーション膜として例えば酸化シリコン等からなる保護絶縁膜１３が形成されている。
【００４９】
また、図１に示すように、本実施形態においては、Ｐ- 型半導体層２の表面部には、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が形成されている。Ｎ+ 型半導体領域８の不純物濃度のピーク位置はＰ- 型半導体層２の上面から例えば０．１μｍの深さに位置する。尚、Ｎ+ 型半導体領域８をＰ- 型半導体層２上に設けてもよい。Ｎ+ 型半導体領域８の端部には、例えばＮ型不純物を高濃度で選択的にイオン注入した後にアニール処理を行うことにより、カソードコンタクト層９が形成されている。また、カソードコンタクト層９の上には、保護絶縁膜１３を貫通してカソード電極１１が形成されている。
【００５０】
本実施形態の特徴として、Ｐ- 型半導体基板１とＰ- 型半導体層２との間に、Ｐ- 型半導体基板１及びＰ- 型半導体層２のいずれよりも高い不純物濃度（例えば１×１０18ｃｍ-3）を有するＰ+ 型半導体領域５が選択的に形成されている。具体的には、Ｐ+ 型半導体領域５は、従来のように受光動作部５１の全面に設けられているのではなく、互いに分離した複数の部分から構成されている。言い換えると、受光動作部５１内におけるＰ- 型半導体基板１とＰ- 型半導体層２との間には、Ｐ+ 型半導体領域５が形成されていない領域が存在する。ここで、Ｐ+ 型半導体領域５の各部分は、受光動作部５１を区画する素子分離絶縁層７に囲まれた領域に配置されている。尚、Ｐ+ 型半導体領域５は、例えば、Ｐ- 型半導体層２の形成前に、Ｐ- 型半導体基板１の上部にＰ型の不純物を高濃度で選択的に注入した後にアニール処理を行い、その後、Ｐ- 型半導体層２のエピタキシャル成長を行うことによって形成される。また、Ｐ+ 型半導体領域５は、Ｐ- 型半導体基板１とＰ- 型半導体層２との界面から上側の領域において約１μｍの拡散範囲を持つ。
【００５１】
また、図１に示すように、カソードコンタクト層９の周辺（受光動作部５１の反対側）には、素子分離絶縁層７を挟んで、例えば厚さが２μｍでＰ- 型半導体基板１よりも高い不純物濃度（例えば１×１０18ｃｍ-3）を持つＰ+ 型半導体領域６がイオン注入により選択的に形成されている。カソードコンタクト層９とＰ+ 型半導体領域６とは素子分離絶縁層７によって電気的に絶縁分離されている。すなわち、受光動作部５１は素子分離絶縁層７によって区画されている。Ｐ+ 型半導体領域６の不純物濃度のピーク位置はＰ- 型半導体層２の上面から例えば１μｍの深さに位置する。また、Ｐ+ 型半導体領域６の下側（Ｐ+ 型半導体領域６とＰ- 型半導体基板１との間）には、Ｐ- 型半導体基板１よりも高い不純物濃度（例えば１×１０18ｃｍ-3）を持つＰ+ 型半導体領域４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４は、Ｐ- 型半導体基板１とＰ- 型半導体層２との界面から上側の領域において約０．３μｍの拡散範囲を持つ。また、アノード電極１０とカソード電極１１との間の領域の下方において、素子分離絶縁層７はＰ+ 型半導体領域４中まで達するように形成されている。言い換えると、素子分離絶縁層７の底面は、Ｐ+ 型半導体領域４の底面よりも上側に位置する。さらに、Ｐ+ 型半導体領域６の上には、保護絶縁膜１３を貫通してアノード電極１０が形成されている。
【００５２】
尚、本実施形態の特徴であるＰ+ 型半導体領域５の不純物濃度は、Ｐ+ 型半導体領域４の不純物濃度と比べて同等以上であることが好ましい。このようにすると、Ｎ+ 型半導体領域８とＰ+ 型半導体領域５とに挟まれたＰ- 型半導体層２において空乏層が形成されることになり、Ｐ+ 型半導体領域５の上部で光電流を取り込む動作が支配的になる。逆に、Ｐ+ 型半導体領域４の不純物濃度がＰ+ 型半導体領域５の不純物濃度よりも高いと、Ｐ+ 型半導体領域４の上側に空乏層が形成されてしまい、後述するＰ+ 型半導体領域５による効果を十分に得ることができない。
【００５３】
また、本実施形態において、カソード電極１１及びアノード電極１０はいずれも、平面構成的にはリング状に配置されている。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８、Ｐ- 型半導体層２及びカソードコンタクト層９を囲むように設けられている。これにより、動作時の電界集中を緩和することができる。
【００５４】
以上に説明した、各不純物拡散領域及び分離領域によって構成される本実施形態の受光素子部５０においては、エピタキシャル基板中の比較的深い位置に、短冊状に並ぶ複数の部分から構成されるＰ+ 型半導体領域５が設けられている点が、従来の光半導体装置と大きく異なる点である。
【００５５】
ここで、本実施形態の受光動作部５１による電流増幅作用の原理について説明する。図２（ａ）は、本実施形態の受光動作部５１による受光動作及び電流増幅動作を説明するための等電位線（図中破線）及び電気力線（図中矢印）を図１に示す断面図に追加した図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるａｂ間のエネルギーバンド図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるｃｄ間のエネルギーバンド図である。
【００５６】
まず、本実施形態の受光動作部５１においては、受光動作部５１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。生成された電子正孔対は、図２（ｂ）のａｂ間のエネルギーバンド（電位ポテンシャル分布）に示すように、Ｐ+ 型半導体領域５とＮ+ 型半導体領域８とに挟まれたＰ- 型半導体層２、つまり急峻な電位勾配を有しているＰ- 型半導体層２において、アバランシェ降伏近傍が比較的低電圧となるので、低電圧で電流増幅作用が発生する。また、図２（ｃ）のｃｄ間のエネルギーバンド（電位ポテンシャル分布）に示すように、短冊状のＰ+ 型半導体領域５の各部分に挟まれたＰ- 型半導体層２においては、Ｎ+ 型半導体領域８からの距離が十分であるため、電位勾配は比較的緩やかになり、空乏層が広がった状態となる。従って、前述のＰ+ 型半導体領域５とＮ+ 型半導体領域８とに挟まれたＰ- 型半導体層２のアバランシェ降伏電圧では電流増幅作用が発生しない。逆に、短冊状のＰ+ 型半導体領域５の各部分に挟まれたＰ- 型半導体層２においては、空乏層が十分に広がることにより、低容量化が実現される。これは、受光動作部５１の応答速度を決める上で重要である。すなわち、応答速度を周波数特性ｆｃで表した場合、ｆｃ＝１／２πＣＲ（Ｃ：容量、Ｒ：抵抗）が成り立つので、本実施形態のように、Ｐ+ 型半導体領域５を短冊状の複数の部分によって構成することにより、前述のように、容量Ｃの低減が図れ、その結果、周波数特性ｆｃを向上させることができる。また、本実施形態の受光動作部５１においては、受光動作部５１の表面近傍で急峻な電位勾配を実現しているため、表面近傍での光吸収が支配的になる短波長の光に対しても、十分な電流増幅動作を行うことが可能となる。
【００５７】
次に、本実施形態の受光動作部５１における短冊状のＰ+ 型半導体領域５の各部分に挟まれたＰ- 型半導体層２の幅の影響について説明する。図３（ａ）は、本実施形態の受光動作部５１において前記のＰ- 型半導体層２の幅を比較的小さくした場合の受光動作及び電流増幅動作を説明するための等電位線（図中破線）及び電気力線（図中矢印）を図１に示す断面図に追加した図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）における領域ａ1 ａ2 ｂ2 ｂ1 の電位ポテンシャル分布を示す図である。また、図４（ａ）は、本実施形態の受光動作部５１において前記のＰ- 型半導体層２の幅を比較的大きくした場合の受光動作及び電流増幅動作を説明するための等電位線（図中破線）及び電気力線（図中矢印）を図１に示す断面図に追加した図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）における領域ｃ1 ｃ2 ｄ2 ｄ1 の電位ポテンシャル分布を示す図である。
【００５８】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の受光動作部５１における短冊状のＰ+ 型半導体領域５の各部分に挟まれたＰ- 型半導体層２の幅を小さくした場合には、Ｐ- 型半導体層２の上側で発生したアバランシェ増幅動作が、Ｐ+ 型半導体領域５の各部分に挟まれたＰ- 型半導体層２へも広がるので、低容量状態を維持しながら、受光動作部５１の表面近傍全域でアバランシェ増幅作用を発生させることが可能となる。一方、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の受光動作部５１における短冊状のＰ+ 型半導体領域５の各部分に挟まれたＰ- 型半導体層２の幅を大きくした場合には、アバランシェ増幅動作が発生する領域が小さくなり、高受光感度の実現に不利な構造となる。従って、本実施形態の受光動作部５１において、短冊状のＰ+ 型半導体領域５の各部分に挟まれたＰ- 型半導体層２の幅を小さくすること、具体的には、Ｐ+ 型半導体領域５の各部分同士の間隔を、Ｐ+ 型半導体領域５とＮ+ 型半導体領域８との間隔と同等以下にすることが望ましい。
【００５９】
以上に説明したように、本実施形態の光半導体装置によると、光電流を発生すると共に電流増幅動作を行う受光動作部５１を有する受光素子部５１がＰ- 型半導体基板１上に設けられているため、入射光として受け取った光信号を光電流に変換し且つ増幅することができるので、入射光のパワーが小さい場合にも光信号の検出を行うことができる。
【００６０】
特に、本実施形態の光半導体装置においては、高不純物濃度を有するＮ+ 型半導体領域８と高不純物濃度を有するＰ+ 型半導体領域５とに挟まれたＰ- 型半導体層２において、低電圧印加によってアバランシェ増幅動作を行うことができるので、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。このため、Ｎ+ 型半導体領域８を厚くすることなく受光感度を向上させることができるので、高速応答性も向上させることができる。また、Ｎ+ 型半導体領域８を厚くする必要がないので、赤外光や赤色光だけでは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。さらに、Ｐ- 型半導体基板１とＰ- 型半導体層２との間にＰ+ 型半導体領域５を選択的に形成しているため、Ｐ+ 型半導体領域５の形成されていない領域においては、Ｎ+ 型半導体領域８から十分な離れた位置にもＰ- 型半導体層２が存在するので、電位勾配が比較的緩やかになり、空乏層が十分に広がった状態となる。従って、低容量化を実現することができるので、周波数特性を向上させることもできる。
【００６１】
以上のように、本実施形態の光半導体装置によると、Ｎ+ 型半導体領域８やＰ- 型半導体層２で生じたキャリヤを受光動作部５１において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及び高速応答性を得ることができる。また、Ｐ+ 型半導体領域５によって、電流増幅動作を発生させるアバランシェ電圧を低電圧に設定できるので、光半導体装置の低消費電力化が可能となり、多岐に亘る用途での使用が可能となる。
【００６２】
尚、本実施形態において、受光素子部５０を構成する半導体層や半導体領域に含まれる不純物の濃度は、以上に例示した値に限られない。但し、動作時に空乏層を形成するため、Ｐ- 型半導体層２に含まれる不純物の濃度は、Ｐ- 型半導体基板１に含まれる不純物の濃度と同等か又はそれ以下であって、且つＮ+ 型半導体領域８に含まれる不純物の濃度よりも低いことが好ましい。また、Ｐ- 型半導体層２に代えて、真性の半導体層、又はＰ- 型半導体基板１及びＮ+ 型半導体領域８よりも低濃度のＮ型半導体層を用いてもよい。また、コンタクト特性の観点からは、カソードコンタクト層９に含まれる不純物の濃度はＮ+ 型半導体領域８に含まれる不純物の濃度よりも高いことが好ましい。さらに、アノード電極１０との接触抵抗を低減するため、Ｐ+ 型半導体領域６及びＰ+ 型半導体領域４に含まれる不純物の濃度は、Ｐ- 型半導体基板１に含まれる不純物の濃度よりも高いことが好ましい。また、Ｐ+ 型半導体領域４については、形成しなくてもよい。
【００６３】
また、本実施形態において、受光素子部５０を構成する半導体層や半導体領域に含まれる不純物の導電型を反対の導電型にしても、動作させることができる。
【００６４】
また、本実施形態において、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、シリコンに代えて、ＳｉＧｅや化合物半導体等の他の半導体を用いることも可能である。
【００６５】
以下、本実施形態の受光素子部５０の製造方法について簡単に説明する。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することができる。具体的には、まず、Ｐ- 型半導体基板１内にＰ型不純物をイオンを注入してＰ+ 型半導体領域４及び５を形成する。次に、Ｐ- 型半導体基板１上に例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）法等により、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。次に、Ｐ- 型半導体層２内にＰ+ 型半導体領域６、Ｎ+ 型半導体領域８及びカソードコンタクト層９をイオン注入により順次形成する。次に、公知のＳＴＩ（shallow trench isolation）形成技術により素子分離絶縁層７を形成する。その後、Ｐ- 型半導体層２上に保護絶縁膜１３を形成した後、各コンタクト層上の保護絶縁膜１３をエッチングにより開口し、アノード電極１０及びカソード電極１１を形成する。
【００６６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置（ＯＥＩＣ装置）について、図面を参照しながら説明する。尚、第２の実施形態に係る光半導体装置は、図１に示す第１の実施形態の受光素子部５０を、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共に同一基板上に集積化することによって構成されている。ここで、受光素子部５０を構成する各半導体領域の形成工程は、前述のトランジスタを構成する各半導体領域の形成工程と共通化することができるため、受光素子部５０と各種トランジスタとを同一基板上に容易に集積化することが可能となる。
【００６７】
図５は、第２の実施形態に係る光半導体装置の一例を示す断面図である。尚、図５において、図１に示す第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００６８】
図５に示すように、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及びＶＰＮＰ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（complemenntary metal oxide semiconductor）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及び第２のトランジスタ部７０はそれぞれ、Ｐ- 型半導体基板１又は後述するＰ+ 型半導体領域２１にまで達する素子分離絶縁層７によって互いに分離されている。
【００６９】
以下、第１のトランジスタ部６０及び第２のトランジスタ部７０のそれぞれの構成について詳述する。
【００７０】
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バイポーラトランジスタ（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バイポーラトランジスタ（ＶＰＮＰ−Ｔｒ）とを含んでいる。
【００７１】
ＮＰＮ−ＴｒのＮ型コレクタ部は、Ｐ- 型半導体層２中にＮ型不純物を拡散することにより形成されたＮ型コレクタ領域１４と、コレクタコンタクトとなるＮ+ 型半導体領域４０及びＮ型半導体領域４１と、Ｎ型半導体領域４１の上に形成されたコレクタ電極１８とによって構成されている。Ｐ型ベース部は、Ｐ型半導体からなる活性ベース層１５と、Ｐ+ 型半導体からなる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１９とによって構成されている。Ｎ型エミッタ部は、活性ベース層１５の上に形成され且つＮ型不純物を含むエミッタ領域１７と、エミッタ領域１７上に形成され且つＮ型不純物が高濃度で導入された多結晶半導体層１２ａと、多結晶半導体層１２ａの上に形成されたＮ型エミッタ電極２０とによって構成されている。
【００７２】
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の上に形成され且つ素子分離絶縁層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とによって構成されている。尚、Ｐ- 型半導体基板１とＰＮＰ−Ｔｒとを電気的に分離するために、Ｐ+ 型半導体領域２１の下にＮ型半導体領域４３が形成されている。Ｎ型ベース部は、Ｐ型半導体領域４２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に接するようにＰ型半導体領域４２上に形成されたＮ型コンタクトベース領域２４と、Ｎ型コンタクトベース領域２４の上に形成されたベース電極２８とによって構成されている。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１２ｂと、多結晶半導体層１２ｂ上に形成されたエミッタ電極２７とによって構成されている。
【００７３】
第１の実施形態で述べたように、本発明の受光素子部５０によれば、アバランシェ増幅作用により受光特性の向上が図れるため、第１のトランジスタ部６０のＮＰＮ−Ｔｒ及びＶＰＮＰ−Ｔｒの形成を受光素子特性に束縛されることなく行うことができる。
【００７４】
次に、第２のトランジスタ部７０は、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ（ＮＭＯＳ）及びＰチャネル型のＭＯＳトランジスタ（ＰＭＯＳ）を含んでいる。各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。また、各ＭＯＳトランジスタの拡散層はＰ- 型半導体層２の上に形成されている。具体的には、ＰＭＯＳは、Ｎ型ウェル領域４４、Ｐ型ソース領域３０、Ｐ型ドレイン領域２９、ゲート電極となるＰ型多結晶半導体層３３、ソース電極３６及びドレイン電極３５によって構成され、ＮＭＯＳは、Ｐ型ウェル領域４５、Ｎ型ソース領域３２、Ｎ型ドレイン領域３１、ゲート電極となるＮ型多結晶半導体層３４、ソース電極３８及びドレイン電極３７によって構成されている。
【００７５】
本発明の受光素子部５０を用いることにより、第２のトランジスタ部７０の各ＭＯＳトランジスタについても受光素子部５０の受光感度に束縛されない設計が可能となる。
【００７６】
以上に説明したように、本実施形態の光半導体装置によると、第１の実施形態と同様の効果に加えて、高速応答性と３タイプの光源波長に対する高受光感度とを有する受光素子を、ＮＰＮ−Ｔｒ、ＶＰＮＰ−Ｔｒ、ＮＭＯＳ及びＰＭＯＳと共に１つのチップに混載することができる。また、受光素子部５０のＮ+ 型半導体領域８を厚くする等の特段の構成を用いることなく、受光素子部５０の受光感度を十分に高くすることができるため、同一基板上に各種トランジスタを設ける場合にも、受光素子部５０の特性を確保するために各種トランジスタの構造が受けなければならない制限を小さくすることが可能となる。
【００７７】
尚、本実施形態の光半導体装置において、本発明の受光素子部５０と共に混載するトランジスタの種類や数は特に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の光半導体装置は、複数の波長の光信号を低出力であっても確実に検出することができ、複数種類の光を用いるＤＶＤ等の光検出装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】図１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部の一例を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）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部による電流増幅作用の原理を説明する図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）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部による電流増幅作用の原理を説明する図である。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）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部による電流増幅作用の原理を説明する図である。
【図５】図５は本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の一例を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は第１従来例に係る光半導体装置の断面構造図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるａｂ間の不純物濃度を示す図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）におけるａｂ間のエネルギーバンドを示す図である。
【図７】図７（ａ）は第２従来例に係る光半導体装置の断面構造図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるａｂ間の不純物濃度を示す図であり、図７（ｃ）は図７（ａ）におけるａｂ間のエネルギーバンドを示す図である。
【図８】図８は第３従来例に係る光半導体装置の断面図である。
【図９】図９（ａ）は第３従来例の光半導体装置の受光素子部における縦方向の不純物濃度を示す図であり、図９（ｂ）は第３従来例の光半導体装置の受光素子部における縦方向のエネルギバンドを示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１    Ｐ- 型半導体基板
２    Ｐ- 型半導体層
４    Ｐ+ 型半導体領域
５    Ｐ+ 型半導体領域
６    Ｐ+ 型半導体領域
７    素子分離絶縁層
８    Ｎ+ 型半導体領域
９    カソードコンタクト層
１０    アノード電極
１１    カソード電極
１２ａ、１２ｂ    多結晶半導体層
１３    保護絶縁膜
１４    Ｎ型コレクタ領域
１５    活性ベース層
１６    ベースコンタクト領域
１７    エミッタ領域
１８    コレクタ電極
１９    ベース電極
２０    Ｎ型エミッタ電極
２１    Ｐ+ 型半導体領域
２２    Ｐ型半導体領域
２３    Ｎ型活性ベース領域
２４    Ｎ型コンタクトベース領域
２５    Ｐ型エミッタ領域
２６    Ｐ型コレクタ電極
２７    エミッタ電極
２８    ベース電極
２９    Ｐ型ドレイン領域
３０    Ｐ型ソース領域
３１    Ｎ型ドレイン領
３２    Ｎ型ソース領域
３３    Ｐ型多結晶半導体層
３４    Ｎ型多結晶半導体層
３５    ドレイン電極
３６    ソース電極
３７    ドレイン電極
３８    ソース電極
４０    Ｎ+ 型半導体領域
４１    Ｎ型半導体領域
４２    Ｐ型半導体領域
４３    Ｎ型半導体領域
４４    Ｎ型ウェル領域
４５    Ｐ型ウェル領域
５０    受光素子部
５１    受光動作部
６０    第１のトランジスタ部
７０    第２のトランジスタ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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