JP4671981B2

JP4671981B2 - 光半導体装置

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Publication number: JP4671981B2
Application number: JP2007072000A
Authority: JP
Inventors: 久忠安川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008235510A; US7768090B2; US20080230817A1

Description

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。

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）装置があり、光信号を電気信号へ変換する機能として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。

光ピックアップ装置として用いられるＯＥＩＣ装置は、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は、赤外光を用いるＣＤ（Compact Disc）用、赤色光を用いるＤＶＤ（Digital Versatile Disc）用に、近年、青色光を用いるＢＤ（Blue Digital Versatile Disc）用が加わり、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。すなわち、従来の赤外光及び赤色光の受光感度と高速応答とを維持しながら、さらに青色光に対する受光感度と高速応答性とを備えていることが要望されている。

以下、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装置の説明をする（例えば、特許文献１を参照。）。

図６は、従来の光半導体装置を示す断面図である。同図に示すように、従来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、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。そして、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に設定されている。Ｎ型半導体層１０４の厚さは、ＶＰＮＰ−Ｔｒを形成するために２μｍに設定されている。

Ｐ⁻ 型半導体層１０３及びＮ型半導体層１０４には、受光素子部１００とトランジスタ部２００と第２のトランジスタ部２２０が形成されている。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かそれ以下である。

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るカソードコンタクト領域１０７、Ｎ型多結晶半導体層１０８ａ及びカソード電極１０９により構成される。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たＰ^＋型埋め込み領域１１０、アノードコンタクト領域１１１、Ｐ型多結晶半導体層１１２及びアノード電極１１３により構成される。

これに対し、ＮＰＮバイポーラトランジスタが設けられたトランジスタ部２００は、Ｎ型半導体層１０４の内部であって、素子分離絶縁膜１０５とＰ^＋型埋め込み領域１１０とにより受光素子部１００および第２のトランジスタ部２２０から素子分離されて形成されている。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、コレクタコンタクト領域１１５、Ｎ型多結晶半導体層１０８ｂ及びコレクタ電極１１６により構成される。ベース部は、活性ベース領域１１７、コンタクトベース領域１１８、Ｐ型多結晶半導体層１１２及びベース電極１２０により構成される。エミッタ部は、エミッタ領域１１９、Ｎ型多結晶半導体層１０８ｃ及びエミッタ電極１２１により構成される。

ＶＰＮＰ−Ｔｒが設けられた第２のトランジスタ部２２０では、Ｐ⁻ 型半導体層１０３にＮ型埋め込み層１３０が形成され、その上のＮ型半導体層１０４にはＰ型埋め込みコレクタ領域１３１が形成されている。また、Ｎ型半導体層１０４の厚さは、Ｐ型埋め込みコレクタ領域１３１を確保するために約２μｍに設定している。

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、コレクタコンタクト領域１３２、Ｎ型多結晶半導体層１０８ｄ及びコレクタ電極１３３により構成される。ベースは、活性ベース領域１３４、コンタクトベース領域１３５、Ｐ型多結晶半導体層１１２、ベース電極１３６により構成される。エミッタは、エミッタ領域１３７、Ｎ型多結晶半導体層１０８ｅ及びエミッタ電極１３８により構成される。このように、図６に示す構成により、第２のトランジスタ部２２０としてＶＰＮＰ−Ｔｒの形成が可能である。

以上のように構成された従来の光半導体装置の受光部の動作について、図７（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図７（ａ）は、図６に示す従来の光半導体装置における縦方向の不純物濃度を示す図であり、（ｂ）は、従来の光半導体装置における縦方向のエネルギバンドを示す図である。

まず、受光素子部１００に入射した光は、Ｎ^＋型半導体領域１０６の表面に照射される。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｎ^＋型半導体領域１０６とＮ型半導体層１０４とにより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との濃度差によるポテンシャル勾配ａにより加速されて、Ｎ^＋型半導体領域１０６からＮ型半導体層１０４のフラット領域ｄを濃度拡散により移動する。移動したキャリヤは、Ｐ⁻ 型半導体層１０３に到達する。Ｐ⁻ 型半導体層１０３においては、受光素子部１００のカソード電極１０９にあらかじ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に囲まれたＰ⁻型半導体層１０３からＰ^＋型半導体層１０２に至る領域にまで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、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は高速な応答が可能となる。

また、半導体基板１０１に到達した入射光は、半導体基板１０１にキャリヤを生成し、生成されたキャリヤは拡散により任意の方向に移動する。キャリヤの移動速度は拡散によるため遅く、且つ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が、Ｐ^＋型半導体層１０２と半導体基板１０１との不純物の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電子はＰ^＋型半導体層１０２及びＰ⁻ 型半導体層１０３までは到達できずに再結合して消滅する。従って、拡散により移動するキャリヤを消滅させることができるのでより高速な応答が可能となる。
特開２００６−１２０９８４号公報特開２０００−２５２５０７号公報

前述したように、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、青色光を用いた高密度ＤＶＤ用の計３タイプがある。高密度ＤＶＤは、データ密度が大きいため高速応答性が要望されており、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タイプのそれぞれの光波長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し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に対す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。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ヤとして、電気的に高効率で取り出せる構造が受光感度と応答速度との向上につながる。

しかしながら、従来例の場合は、Ｎ型半導体層１０４の厚さを２μｍとするため、図７（ｂ）に示すように、電子に対する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。よって、該フラットな領域ｄを移動するキャリヤの移動距離が長くなり、Ｐ⁻ 型半導体層１０３とＮ型半導体層１０４とにより発生した空乏層までの到達時間が長くなる。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、キャリヤの走行距離が長くなると、再結合量が増えるので受光感度が低下することにもなる。

特に前述した青色光に対しては、０．６μｍで９０％の光吸収となるため、表面の非空乏層領域でキャリヤが生成され、上述の現象の影響が顕著となり、応答速度の低下並びに受光感度の低下が発生する。従来の構造では、Ｎ型半導体層１０４を厚くするほど受光素子の感度は向上するが、トランジスタの特性は低下する。すなわち、受光素子とトランジスタの形成、特にＶＰＮＰ−Ｔｒの形成において、受光感度とＴｒ形成のためのＮ型半導体層１０４の厚みには、トレードオフの関係があり双方の特性を満たすことは、困難となっていた。

また、図７（ｂ）に示すように、従来例に係る光半導体装置に設けられたＰ⁻ 型半導体層１０３において、Ｐ^＋型埋め込み領域１１０とＰ^＋型半導体層１０２との間に存在する高抵抗領域が存在するため、受光素子部１００における周波数特性が劣化するという不具合もある。従来例においては、このシリーズ抵抗の低減を図るために、Ｐ^＋型埋め込み領域１１０の幅を比較的に大きくなるようにパターン化している。しかしながら、これでは受光素子部１００の周辺領域が大きくなってしまうため、チップ面積を縮小できないという不具合を生じる。

更に、青色光の波長は、他の赤色光、赤外光に対し短波長であるために、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い。よって、生成されるキャリヤ量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、１電子正孔対生成）とした場合、前述した各々の光波長の受光感度は、赤外光で０．６３Ａ／Ｗ、赤色光で０．５２Ａ／Ｗ、青色光で０．３３Ａ／Ｗとなる。故に、青色光に対するＯＥＩＣの回路として、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を招く。また、受光感度が低いためＯＥＩＣとしてのノイズ特性が悪いという不具合も発生する。

本発明は、光半導体装置の受光素子における動作特性（受光感度及び高速応答性）を向上させることと、ＮＰＮトランジスタ及びＶＰＮＰトランジスタなどを容易に搭載可能にする光半導体装置を提供することとを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の光半導体装置は、入射光を電流信号に変換する受光動作部と、前記電流信号を増幅する電流増幅動作部とを有する受光素子部を備えた光半導体装置であって、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導電型の半導体層と、前記半導体層上に設けられた第２導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域と絶縁分離された、前記半導体層上に設けられた第１導電型の第２の半導体領域と、前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域とを絶縁分離する第１の素子分離絶縁層とを有し、前記電流増幅動作部は、前記第２の半導体領域と、前記半導体基板内に設けられた第２導電型の第３の半導体領域と、前記第２の半導体領域と絶縁分離され、前記第３の半導体領域上に設けられた第２導電型の第４の半導体領域と、前記第２の半導体領域と前記第４の半導体領域とを絶縁分離する第２の素子分離絶縁層とを有している。

このように、光電流を発生する受光動作部と電流増幅動作部と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信号を、十分な大きさに増幅することが可能となる。

特に、第３の半導体領域と第２の半導体領域との間に高電圧を印加することにより、電流増幅動作部がアバランシェ増幅を利用して信号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、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。また、電子もしくはホールのどちらか一方のみを増幅することができるので、ノイズを低減することも可能となる。さらに、受光素子部を構成する半導体領域はトランジスタを作製するための工程と共通化することもできるため、受光素子部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できる。

また、受光素子部の受光感度を十分に高くすることができるため、同一基板上に設けられる各種トランジスタの構造が、受光素子部の特性を確保するために受ける制限を小さくすることができる。

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ヤを電流増幅動作部で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、電流増幅動作にはアバランシェ増幅を利用することができる。また、受光動作部で生じたホール／電子対のうちどちらか一方のキャリヤのみを増幅することができるので、ノイズを低減することができる。

（第１の実施形態）
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。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。本実施形態の受光素子部５０は、入射光を電気信号に変換する受光動作部５４と、受光動作部５４で生じた信号を例えばアバランシェ増幅により増幅する電流増幅動作部５２とを有している。なお、アノード電極１２およびＰ^＋型半導体領域５は受光動作部５４と電流増幅動作部５２の両方に属している。

図１に示すように、例えば比抵抗が１００Ωｃｍ〜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の内部には、例えば、厚さが２μｍで不純物濃度が約１ｘ１０^１８ｃｍ^−３の高濃度の半導体層よりなるＮ^＋型半導体領域３がイオン注入により選択的に形成されている。Ｐ⁻ 型半導体基板１の上には、厚さが２μｍで不純物濃度がＰ⁻型半導体基板１よりも高い例えば約１ｘ１０^１６ｃｍ^−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。

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、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に区画されている（図４参照）。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のそれぞれは、局所的にトレンチ加工した、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）よりなる素子分離絶縁層７によって区画されている。また、素子分離絶縁層７は、アノード電極１２とカソード電極１３との間の下方、および第１のトランジスタ部６０との境界では、Ｐ⁻型半導体層２の厚みよりも深くまで形成されている。カソード電極１１とアノード電極１２との間の下方に設けられた素子分離絶縁層８はＰ⁻型半導体層２の厚みよりも浅く形成されている（すなわち、素子分離絶縁層８の底面はＰ⁻型半導体層２の底面よりも浅い位置にある）。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２３が形成されている。

本実施形態の特徴として、受光動作部５４に含まれるＰ⁻型半導体層２上には、例えば厚さが０．２μｍで、不純物のピーク位置がＰ⁻型半導体層２の上面から０．１μｍの深さ位置にあり、不純物濃度が約１ｘ１０^１８ｃｍ^−３のＮ^＋型半導体領域６が選択的に形成されている。Ｎ^＋型半導体領域６は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６の側上には、Ｎ型の高濃度不純物が導入された多結晶半導体層９が選択的に形成され、多結晶半導体層９からの不純物拡散によりカソードコンタクト層１０が形成されている。また、多結晶半導体層９の上にはカソード電極１１が形成されている。

素子分離絶縁層７の周辺部には、不純物のピーク位置がＰ⁻型半導体層２の上面から例えば０．２μｍの深さで、厚さが０．４μｍで不純物濃度が約１ｘ１０^１８ｃｍ^−３のＰ^＋型半導体領域５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５の上にアノード電極１２が形成されている。また、電流増幅動作部５２におけるＰ⁻ 型半導体基板１内にはＮ^＋型半導体領域３が形成されている。

受光素子部５０のＰ^＋型半導体領域５の外側には、素子分離絶縁層７で囲まれたＮ^＋型半導体領域４がＮ^＋型半導体領域３に接するように形成されている。Ｎ^＋型半導体領域４の上にはアバランシェ増幅用のカソード電極１３が形成されている。なお、カソード電極１１、１３、アノード電極１２はいずれもリング状である。また、半導体領域５は素子分離絶縁層８を挟んでＮ^＋型半導体領域６およびカソードコンタクト層１０を囲むように設けられ、Ｎ^＋型半導体領域４は素子分離絶縁膜７を挟んでＰ^＋型半導体領域５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が緩和され、縦方向の電界分布が支配的となるようなレイアウト設計となっている。

以上の拡散層、分離層の形成により、受光動作部５４と電流増幅動作部５２とが並んだ状態で受光素子部５０が構成される。受光動作部５４と電流増幅動作部５２とが並んで設けられていること、受光動作部５４における空乏層形成のためのｐｎジャンクションがＰ⁻型半導体層２とＮ^＋型半導体領域６とで形成されていることが従来の光半導体装置と大きく異なる点である。

ここで、本実施形態の受光素子の増幅作用の原理を説明する。図５（ｂ）は、本実施形態に係る受光素子部の受光動作部（フォトダイオード部）、電流増幅動作部（アバランシェ動作部）の電位ポテンシャル分布図である。

まず、受光動作部５４のフォトダイオードに照射された光によって、受光領域の空乏層で電子正孔対が生成される。図５（ｂ）左図に示す空乏層内の電位ポテンシャル勾配に従って、電子はＮ^＋型半導体領域６側へ、正孔はＰ⁻型半導体基板１側へ電界に従い移動する。電子は、そのままカソード電極１１へ吸い上げられる。正孔は、Ｐ⁻型半導体基板１へ移動した後、Ｐ^＋型半導体領域５により形成される内部電位差により、Ｐ^＋型半導体領域５側へ移動する。この状態下で、Ｐ^＋型半導体領域５とＮ^＋型半導体領域３の間でアバランシェ降伏近傍の電圧をＮ^＋型半導体領域４を介してＮ^＋型半導体領域３に印加することにより、Ｐ^＋型半導体領域５の下に形成されたＰ⁻型半導体層２とＰ⁻ 型半導体基板１とＮ^＋型半導体領域３が図５（ｂ）右図に示すように急峻な電位ポテンシャル構造を形成することとなり、高電界による正孔移動が発生し、アバランシェ作用による新たな電子正孔対が生成する。この現象が繰り返される事により、光により生成された電子正孔対よりも大きな電子正孔対が生成され電流増幅作用が起こる。この結果、受光感度は増幅率が支配的となり、前述した量子効率１００％の光波長に依存した受光感度よりも大きい受光感度を得ることができる。よって、トランジスタ特性を向上するためにＰ⁻型半導体層２を薄く設定し、受光動作部５４で生じる光電流が小さくなった場合でも、増幅作用により受光感度を高く設定できるため、上述のトレードオフの関係は、緩和される。なお、アバランシェ増幅させるためにはカソード電極１３とアノード電極１２との間に例えば１５Ｖ程度の比較的高電圧を印加する必要がある。なお、図５（ａ）は、比較のために示した従来の光半導体装置における電位ポテンシャル分布図である。

また、本実施形態の受光素子部５０では、空乏層で生じた電子はカソード電極１１へ流れ、正孔はアノード電極１２へ流れる。従って、アバランシェ増幅の引き金となるのは正孔のみであるため、ノイズ特性を大幅に改善することができる。

本実施形態の受光素子部５０を備えた光半導体装置によれば、Ｐ⁻型半導体層２を薄くできるので、赤色光、赤外光だけでなく、Ｐ⁻型半導体層２のうち浅い領域で電子正孔対を生じさせる青色光に対する受光感度を向上させることができる。そのため、各色用の受光素子部を形成することなく、１つの受光素子部５０で異なる波長の光を信号に変換することが可能となる。なお、フォトダイオードの上（Ｎ^＋型半導体領域６の上）には反射防止膜（図示せず）が形成されるが、この反射防止膜を青色光用に設定すれば、受光動作部５４に入射する青色光の量の減衰を防げるので、好ましい。

なお、受光素子部５０を構成する半導体層および半導体領域に含まれる不純物濃度は、以上で例示した値に限られない。ただし、動作時に空乏層を形成させるため、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以上であって、且つＮ^＋型半導体領域６に含まれる不純物の濃度より低いことが好ましい。また、電流増幅動作部において抵抗を低減するため、Ｎ^＋型半導体領域３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高いことが好ましく、Ｎ^＋型半導体領域４に含まれる不純物の濃度はＮ^＋型半導体領域３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、アノード電極１２との接触抵抗を低減するため、Ｐ^＋型半導体領域５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高いことが好ましい。

なお、本実施形態の受光素子部５０における各部に含まれる不純物の導電型を逆にしても動作させることができる。この場合には、受光動作部５４で生成した正孔／電子対のうち電子のみがアバランシェ増幅を起こすように設計することができる。

また、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く用いられるが、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。

なお、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。すなわち、Ｐ⁻ 型半導体基板１内にＮ型不純物イオンを注入してＮ^＋型半導体領域３を形成する。次に、Ｐ⁻ 型半導体基板１上にＣＶＤ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。次いで、Ｐ^＋型半導体領域５、Ｎ^＋型半導体領域４、およびＮ^＋型半導体領域６を順次イオン注入により形成する。次に、公知のＳＴＩ形成技術により素子分離絶縁層７、８を形成する。その後、Ｐ⁻型半導体層２の一部上に高濃度のＮ型不純物を含むポリシリコンからなり、厚さ０．２μｍ程度の多結晶半導体層９を形成する。次いで、熱処理を行うことにより、多結晶半導体層９からＰ⁻型半導体層２へと不純物が拡散し、Ｎ型不純物を含むカソードコンタクト層１０を形成する。その後、各電極を形成し、保護絶縁膜２３を形成する。以上の工程により、本実施形態の受光素子部を形成することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２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。本実施形態の受光素子部は、第１の実施形態の受光素子部の構成に、受光動作部のＰ⁻ 型半導体基板１とＰ⁻型半導体層２の間にＰ^＋型半導体領域１４を形成したものである。

図１に示す第１の実施形態に係る光半導体装置では、受光動作部５４の空乏層が半導体基板まで到達するため、長波長の光に対し発生したキャリヤがＰ⁻ 型半導体基板１でも光電流として寄与するため、光電流量のばらつきが大きくなる可能性がある。これに対し、本実施形態の光半導体装置では、Ｐ^＋型半導体領域１４を形成することにより、図５（ｃ）に示すように、Ｐ⁻ 型半導体基板１に対し電位が高い内部電界を発生させることが可能となる。よって、Ｐ^＋型半導体領域１４は非空乏層領域となり、ここでのキャリアの移動は拡散が支配的となる。そのため、Ｐ⁻ 型半導体基板１側で生成されたキャリヤは大部分が再結合し、受光動作部５４に流入することが無くなり、光電流を安定にすることが可能となる。従って、本実施形態の受光素子部５０では、光電流量のばらつきが抑えられている。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置における受光素子部を示す断面図である。

本実施形態の受光素子部５０では、Ｎ^＋型半導体領域３が電流増幅動作部だけでなく受光動作部にも設けられている。このように、Ｎ^＋型半導体領域３がＰ^＋型半導体領域１４の下方にまでを広がっていることにより、受光動作部とＰ⁻ 型半導体基板１とを完全に接合分離することが可能となり、Ｐ- 型半導体基板１側で生成されたキャリヤの影響を無くす事が可能となる。なお、本実施形態の受光素子部５０の受光動作部および電流増幅動作部における電位ポテンシャルを図５（ｄ）に示す。

なお、Ｐ^＋型半導体領域１４が設けられない第１の実施形態の受光素子部（図１参照）において、Ｎ^＋型半導体領域３の形状を本実施形態の受光素子部と同じにしてもよい。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４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。第１〜第３の実施形態として説明した受光素子部は、バイポーラトランジスタやＭＯＳトランジスタなどと同一基板上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。図４では、第３の実施形態に係る受光素子を用いる例を示す。

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３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。

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。

ＮＰＮ−ＴｒのＮ型コレクタ部は、Ｐ⁻ 型半導体層中にＮ型不純物を拡散し形成したＮ型コレクタ領域６４と、コレクタコンタクトとしてのＮ^＋型半導体領域３及びＮ型半導体領域６６と、Ｎ型半導体領域６６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型半導体により構成される活性ベース層１５と、Ｐ＋型半導体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１９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９ｂと、多結晶半導体層９ｂの上に形成されたＮ型エミッタ電極とで構成されている。

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６８上に形成されたＮ型活性ベース領域７３と、Ｎ型活性ベース領域７３に接し、Ｎ型半導体領域６８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７３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９ｃと、多結晶半導体層９ｃ上に形成されたエミッタ電極２７とで構成されている。

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、受光素子特性に束縛されないトランジスタの形成が可能となる。

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の上に形成されており、Ｎ型ソース領域３２、Ｎ型ドレイン領域３１およびゲート電極となるＮ型多結晶半導体層３４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３０、Ｐ型ドレイン領域２９、およびゲート電極となるＰ型多結晶半導体層３３がＰチャネル型ＭＯＳトランジスタを構成している。

本発明の受光素子部５０を用いれば、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。

以上説明したように、本実施形態の光半導体装置では、高速応答性と３タイプの光源波長に対して高い受光感度を有する受光素子、ＮＰＮ−Ｔｒ、ＶＰＮＰ−Ｔｒ及びＮチャネル型、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタなどを１つのチップに混載することを実現できる。

本発明の光半導体装置は、複数の波長の光信号が低出力である場合でも検出することができ、複数種の光を用いたＤＶＤなどの光検出装置として有用である。

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。本発明の第２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。本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置における受光素子部を示す断面図である。本発明の第４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。（ａ）は、従来の光半導体装置における電位ポテンシャルを示す分布図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、第１〜第３の実施形態に係る光半導体装置の受光素子部における電位ポテンシャルを示す分布図である。従来の光半導体装置を示す断面図である。図６に示す従来の光半導体装置における縦方向の不純物濃度を示す図である。

符号の説明

１Ｐ型半導体基板
２Ｐ⁻型半導体層
３Ｎ^＋型半導体領域
４Ｎ^＋型半導体領域
５Ｐ^＋型半導体領域
６Ｎ^＋型半導体領域
７、８素子分離絶縁層
９、９ｂ、９ｃ多結晶半導体層
１０カソードコンタクト層
１１、１３カソード電極
１２アノード電極
１４Ｐ^＋型半導体領域
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
２１Ｐ^＋型半導体領域
２２Ｐ型半導体領域
２３保護絶縁膜
２４Ｎ型コンタクトベース領域
２５Ｐ型エミッタ領域
２６Ｐ型コレクタ電極
２７エミッタ電極
２８ベース電極
２９Ｐ型ドレイン領域
３０Ｐ型ソース領域
３１Ｎ型ドレイン領域
３２Ｎ型ソース領域
３３Ｐ型多結晶半導体層
３４Ｎ型多結晶半導体層
５０受光素子部
５２電流増幅動作部
５４受光動作部
６０第１のトランジスタ部
６４Ｎ型コレクタ領域
６６Ｎ型半導体領域
６８Ｎ型半導体領域
７０第２のトランジスタ部
７３Ｎ型活性ベース領域

Claims

入射光を電流信号に変換する受光動作部と、前記電流信号を増幅する電流増幅動作部とを有する受光素子部を備えた光半導体装置であって、
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導電型の半導体層と、
前記半導体層上に設けられた第２導電型の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と絶縁分離された、前記半導体層上に設けられた第１導電型の第２の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域とを絶縁分離する第１の素子分離絶縁層とを有し、
前記電流増幅動作部は、
前記第２の半導体領域と、
前記半導体基板内に設けられた第２導電型の第３の半導体領域と、
前記第２の半導体領域と絶縁分離され、前記第３の半導体領域上に設けられた第２導電型の第４の半導体領域と、
前記第２の半導体領域と前記第４の半導体領域とを絶縁分離する第２の素子分離絶縁層とを有している光半導体装置。
前記第１の素子分離絶縁層の底面は、前記半導体層の底面よりも浅いことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記第２の素子分離絶縁層は、前記第３の半導体領域に接していることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
前記第３の半導体領域は、前記電流増幅動作部から前記受光動作部に亘って設けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
前記受光動作部は、前記半導体基板の上で且つ前記半導体層の下であって、平面的に見た場合に前記第１の素子分離絶縁層に囲まれた領域に設けられた第１導電型の第５の半導体領域をさらに有していることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
前記第３の半導体領域は、前記第４の半導体領域の下から前記第５の半導体領域の下方に亘って設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。
前記半導体層に含まれる不純物の濃度は前記半導体基板に含まれる不純物の濃度以下であり、
前記第１の半導体領域に含まれる不純物の濃度は、前記半導体層に含まれる不純物の濃度より高いことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
前記第３の半導体領域に含まれる不純物の濃度は前記半導体基板に含まれる不純物の濃度よりも高く、
前記第４の半導体領域に含まれる不純物の濃度は前記第３の半導体領域に含まれる不純物の濃度よりも高いことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
前記第２の半導体領域に含まれる不純物の濃度は、前記半導体基板に含まれる不純物の濃度より高いことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
前記第３の半導体領域に含まれる不純物の濃度は、前記半導体基板に含まれる不純物の濃度よりも高いことを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
前記電流増幅動作部では、前記半導体層を挟んで駆動時に前記第３の半導体領域と前記第２の半導体領域との間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ることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
前記受光動作部で生じる前記電流信号はホールおよび電子を含み、
前記電流増幅動作部では、前記受光動作部で生じた前記電流信号のうち電子もしくはホールのどちらか一方のみを増幅することを特徴とする請求項１１に記載の光半導体装置。
前記第２の半導体領域は、前記第１の素子分離絶縁層を挟んで前記第１の半導体領域を囲むように設けられており、
前記第４の半導体領域は、前記第２の素子分離絶縁層を挟んで前記第２の半導体領域を囲むように設けられていることを特徴とする請求項１〜１２のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。
前記半導体基板上に設けられ、バイポーラトランジスタを有する第１のトランジスタ部と、
前記半導体基板上に設けられ、ＭＯＳトランジスタを有する第２のトランジスタ部とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載の光半導体装置。