JPH0964405A

JPH0964405A - 半導体受光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0964405A
Application number: JP7220713A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Furukawa; 量三古川; Akira Nishino; 章西野
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】周波数応答特性の向上できる半導体受光素子
の提供。【解決手段】ｎ⁺ −ＩｎＧａＰの基板１０の第１主表
面上に、ｎ⁺ −ＩｎＰのバッファ層１２、ｎ^- −ＩｎＧ
ａＡｓの光吸収層１４およびｎ^- −ＩｎＰのウインド層
１６が順次に積層されている。そして、このウインド層
１６上に、開口部１８を有するＳｉ₃ Ｎ₄ の絶縁膜２０
を具え、この開口部１８に露出しかつウインド層１６と
光吸収層１４との境界２２に達するｐ⁺ の拡散領域２４
を具えている。また、この開口部１８の周辺部に、この
拡散領域２４と電気的に接続したＰ側電極としての周囲
電極２６を具えている。そして、この発明の半導体受光
素子では、この周囲電極２６の一部分に、絶縁膜２０か
ら浮き上がって張り出した空間電極部３８を具えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光通信におい
て、光を高速で光電変換する半導体受光素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体受光素子の一例が、文献：
（「光通信素子光学−発光・受光素子−」ｐｐ．３４７
−３５０、ｐｐ．３７１−３７３、１９８６年、工学図
書刊）に開示されている。

【０００３】半導体受光素子（以下、フォトダイオード
とも称する）の周波数応答特性は、キャリア走行時間お
よびＣＲ時定数によって制限される。キャリア走行時間
は、光吸収層の層厚を減少させることによって減少させ
ることができる。また、ＣＲ時定数は、ＰＮ接合容量、
電極容量、その他の浮遊容量、シリーズ抵抗および負荷
抵抗等によって決まる。このＣＲ時定数の向上させるた
め、例えば上記文献の第３７２頁の図６．７（ｃ）に
「ｐ−電極」として示されるように、受光領域の周囲に
周囲電極を設けることによってシリーズ抵抗を低減する
方法が知られている。シリーズ抵抗を低減することによ
って、高速応答が可能となり、周波数特性の改善を図る
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、周波数応答
特性をより向上させるために、シリーズ抵抗をより小さ
くするには、周囲電極の断面積を大きくすれば良い。断
面積を大きくするためには、周囲電極の幅を広げるか、
または厚さを厚くすれば良い。

【０００５】しかしながら、周囲電極の幅を広くする
と、電極容量が増大する。このため、シリーズ抵抗の低
減による効果が、電極容量の増大による効果によって相
殺されてしまうため、周波数応答特性の向上が抑制され
る問題点があった。電極容量を低減する方法としては、
電極の下の絶縁膜を厚くする方法と、周囲電極の下
まで接合（拡散領域）を設けて空乏層の幅を広げる方法
とが考えられる。しかし、の方法では、絶縁膜を厚く
すると絶縁膜の素子への応力の影響が大きくなる。この
ため、絶縁膜の厚さはせいぜい７０００Åが限度であ
る。従って、の方法では電極容量を充分低減すること
が困難である。また、の方法では、空乏層の幅を広げ
るとキャリア走行時間が増加する。このため、空乏層の
幅はせいぜい２μｍが限度である。従って、の方法で
も電極容量を充分に低減することは困難である。

【０００６】一方、周囲電極の厚さを厚くするために
は、金メッキ等の工程が必要となる。その結果、半導体
素子の製造工程が複雑になるという問題点があった。

【０００７】このため、周波数応答特性を向上できる半
導体受光素子およびその容易な製造方法の実現が望まれ
ていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（第１の発明）この出願に係る第１の発明の半導体受光
素子によれば、第１導電型の基板の第１主表面の上側
に、第１導電型の光吸収層および第１導電型のウインド
層が順次に積層されており、このウインド層上に、開口
部を有する絶縁膜を具え、この開口部に露出しかつウイ
ンド層と光吸収層との境界に達する第２導電型の拡散領
域を具え、開口部の周辺部に、この拡散領域と電気的に
接続した周囲電極を具えてなる半導体受光素子におい
て、この周囲電極の一部分に、絶縁膜から浮き上がって
張り出した空間電極部を具えてなることを特徴とする。

【０００９】但し、拡散領域が露出とは、入射光が拡散
領域に届くことを意味し、拡散領域上に反射防止膜が形
成されている場合も含まれる。

【００１０】また、第１の発明の半導体受光素子におい
て、好ましくは、絶縁膜中または絶縁膜上に、周囲電極
と電気的に絶縁した遮光膜を具えるとよい。

【００１１】（第２の発明）また、この出願に係る第２
の発明の半導体受光素子によれば、第１導電型の基板の
第１主表面の上側に、第１導電型の光吸収層および第１
導電型のウインド層を順次に積層し、このウインド層上
に、受光領域としての開口部を有する絶縁膜を積層し、
この絶縁膜を介して第２導電型の不純物を選択拡散し
て、開口部からウインド層と光吸収層との境界に達する
第２導電型の拡散領域を形成する工程と、開口部の周囲
の絶縁膜上の一部分に枕レジストパターンを形成する工
程と、絶縁膜および枕レジストパターン上の周囲電極形
成予定領域に開口部を有する画成レジストパターンを形
成する工程と、画成レジストパターンおよび開口部上
に、導電膜を形成する工程と、リフトオフ法により、枕
レジストパターンおよび画成レジストパターンを除去す
ることにより、残存導電膜として、絶縁膜から浮き上が
って張り出した空間電極部を具えた周囲電極を画成する
工程とを含むことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この出願
に係る第１の発明の半導体受光素子および第２の発明の
半導体受光素子の製造方法の実施の形態についてそれぞ
れ説明する。尚、図面は、これらの発明が理解できる程
度に各構成成分の大きさ、形状および配置関係を概略的
に示してあるに過ぎない。従って、これらの発明は図示
例にのみ限定されるものではない。

【００１３】（第１の形態）第１の形態では、第１の発
明の半導体受光素子の構造の一例について説明する。図
１の（Ａ）に、第１の形態として、プレーナ型のＩｎＧ
ａＡｓ系化合物半導体を用いたフォトダイオードの断面
斜視図を示す。また、図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）に
「Ｚ₁ 」で示す楕円で囲まれた主要部の拡大図である。

【００１４】第１の形態の半導体受光素子は、ｎ⁺ −Ｉ
ｎＧａＰの基板１０の第１主表面１０ａの上側に、ｎ⁺
−ＩｎＰのバッファ層１２、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓの光吸
収層１４およびｎ^- −ＩｎＰのウインド層１６が順次に
積層されている。そして、このウインド層１６上に、開
口部１８を有するＳｉ₃ Ｎ₄ の膜絶縁膜２０を具え、こ
の開口部１８に露出しかつウインド層１６と光吸収層１
４との境界２２に達するｐ⁺ の拡散領域２４を具えてい
る。また、この開口部１８の周辺部に、この拡散領域２
４と電気的に接続したＰ側電極としての周囲電極２６を
具えている。また、この周囲電極２６と電気的に接続し
た、ワイヤボンディングするためのパッド電極２８を具
えている。第１の形態では、このパッド電極２８は、周
囲電極２６と連続した拡散領域２４上の平坦部分を指
す。また、周囲電極２６およびパッド電極２８は、オー
ミック層３０を介して拡散領域２４と電気的に接続して
いる。また、基板１０の第２主表面１０ｂ側には、Ｎ側
電極３２を具えている。また、開口部１８の中の、受光
領域３４の拡散領域２４の露出部分には反射防止膜３６
を具えている。

【００１５】そして、この発明の半導体受光素子では、
この周囲電極２６の一部分に、絶縁膜２０から浮き上が
って張り出した空間電極部３８を具えている。この空間
電極部３８と絶縁膜２０との間隙４０の高さは１〜２μ
ｍである。

【００１６】一般に、平行平板コンデンサの容量Ｃは、
コンデンサの対向する電極の面積をＳ、対向する電極の
間隔をｄ、対向する電極間の比誘電率をεとすると、下
記の（１）式で与えられる。

【００１７】Ｃ＝εＳ／ｄ・・・（１）この発明の半導体受光素子では、空間電極部と絶縁膜と
の間に間隙を設けることにより、絶縁膜を特に厚くする
ことなく、上記（１）におけるｄに相当する距離を大き
くとることができる。

【００１８】さらに、この間隙の比誘電率はほぼ１であ
る。一方、絶縁膜を構成するＳｉ₃Ｎ₄ の比誘電率は８
〜９、ＩｎＰの比誘電率は１２．４、ＩｎＧａＡｓの比
誘電率は１３．６である。従って、空間電極部において
は、絶縁膜上に直に周囲電極を設けた場合に比べて、上
記（１）のεの比誘電率を遥かに小さくすることができ
る。

【００１９】このように、この発明では、空間電極部が
構成するコンデンサ部分において、上記（１）における
εを小さくし、かつ、ｄを大きくすることができる。こ
のため、絶縁膜上の周囲電極を全て直に設けた場合に比
べて、空間電極部の電極容量を低減することができる。

【００２０】従って、この発明の半導体受光素子によれ
ば、周囲電極の厚さを特に厚くしなくとも、周囲電極の
面積を広げることによって、周波数応答特性の向上を図
ることができる。

【００２１】また、絶縁膜上に直に周囲電極を設けた場
合は、周囲電極の面積が広い程、絶縁膜のピンホール等
による絶縁不良のため、暗電流が増大する恐れがある。
一方、本発明の半導体受光素子においては、絶縁不良に
よる暗電流の増大の恐れなく、空間電極部によって周囲
電極の面積を広げることができる。従って、素子の信頼
性および歩留の向上が期待できる。

【００２２】（第２の形態）第２の形態では、第１の発
明の半導体受光素子の構造において、特に、絶縁膜中に
遮光膜を設けた例について説明する。図２の（Ａ）に、
第２の形態として、プレーナ型のＩｎＧａＡｓ系化合物
半導体を用いたフォトダイオードの断面斜視図を示す。
また、図２の（Ｂ）は、図２の（Ａ）に「Ｚ₂ 」で示す
楕円で囲まれた主要部の拡大図である。第２の形態で
は、絶縁膜２０ａを除いて、各構成成分は、第１の形態
の半導体受光素子の構成成分と同一である。このため、
同一の構成成分には、第１の形態と同一の符号を付して
その説明を省略する。

【００２３】第２の形態では、絶縁膜２０ａ中に、周囲
電極２６と電気的に絶縁した厚さ５００〜１０００Åの
金属遮光膜４２を具えている。この金属遮光膜４２は、
オーミック層４４を介して、ウインド層１４と電気的に
接続している。

【００２４】金属遮光膜の上側部分の絶縁膜２０ａの膜
厚が１／４（λ／ｎ）を満たす場合、この金属遮光膜４
２を含む絶縁膜２０の反射率は４０〜５０％、透過率は
１％以下となる。但し、λは、受光素子へ入射する光の
波長（例えば１μｍ程度）であり、ｎは絶縁膜（この場
合Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）の屈折率である。

【００２５】ところで、従来の半導体受光素子において
は、金属遮光膜を設けた場合、金属遮光膜と拡散領域と
の短絡を防ぐために、金属遮光膜と拡散領域端との間に
ギャップを設ける必要がある。このギャップの幅は、通
常、素子に逆バイアス電圧を印加して生じた空乏層の幅
よりも広いことが必要とされる。このため、このギャッ
プのうちの空乏層が生じていない領域から、光吸収層へ
光が入射することがあった。入射した光は、迷光となっ
て少数のキャリアを発生させる。このキャリアは拡散領
域直下の空乏層へ拡散するが、拡散速度が非常に遅いた
め素子の出力波形に遅れが生じる。このため、迷光によ
って素子の高速応答特性が劣化してしまうという問題が
あった。

【００２６】この点、第２の形態の半導体受光素子によ
れば、このギャップの少なくとも一部分上に、空間電極
部が覆いかぶさるため、ギャップからの光の入射を抑制
することができる。このため、迷光による素子の高速応
答特性の劣化を抑制することができる。

【００２７】尚、半導体受光素子をｐ側電極の上方から
見た場合に、空乏層以上のギャップ部分が覆われていれ
ば、空間電極部３８の端３８ａは、必ずしも金属遮光膜
４２上まで達していなくとも良い。しかし、より好まし
くは、空間電極部３８の端３８ａが、金属遮光膜４２上
に達しており、素子の縦断面で見て、空間電極部３８と
金属遮光膜４２とが互い違いになっていることが望まし
い。

【００２８】（第３の形態）第３の形態では、図３およ
び図４を参照して、第２の発明の半導体受光素子の製造
方法の一例について説明する。

【００２９】図３の（Ａ）および（Ｂ）は、第３の形態
の半導体受光素子の製造方法の説明に供する前半の工程
図である。また、図４の（Ａ）および（Ｂ）は、図３の
（Ｂ）に続く後半の工程図である。第３の形態では、プ
レーナ型のＩｎＧａＡｓ系化合物半導体の製造方法の例
について説明する。

【００３０】先ず、ｎ⁺ −ＩｎＧａＰの基板１０の第１
主表面１０ａの上側に、ｎ⁺ −ＩｎＰのバッファ層１
２、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓの光吸収層１４およびｎ^- −Ｉ
ｎＰのウインド層１６を順次に結晶成長法により積層す
る。その後、このウインド層１６上にｐ型の不純物であ
る亜鉛（Ｚｎ）あるいはカドミウム（Ｃｄ）を選択拡散
して、ウインド層１６と光吸収層１４との境界２２に達
するｐ⁺ の拡散領域２４を形成する。その後、ｐ⁺ 拡散
領域２４上の円形状の受光面には反射防止膜３４を形成
し、その周囲には開口部１８を有するＳｉ₃ Ｎ₄ からな
る絶縁膜２０を形成する。また、ｐ⁺ 拡散領域２４上に
は、オーミック層３０を形成する。ここまでの工程は、
従来の半導体素子の製造方法と同様である。

【００３１】次に、開口部１８の周囲の絶縁膜２０上の
一部分に枕レジストパターン５０を形成する。第３の形
態では、イソポロペコケトン系ホトレジストを用いて空
間電極と絶縁膜との間隙を確保するための枕レジストパ
ターン５０を形成する。この際、ホトレジストのガラス
転位点以上の温度で熱処理を行うことにより、レジスト
のエッジを丸める。その結果、空間電極部の断線を防止
することができる（図３の（Ａ））。

【００３２】次に、絶縁膜２０および枕レジストパター
ン５０上の周囲電極形成予定領域５２開口部５４有する
画成レジストパターン５６を形成する。ここでは、画成
レジストとして、フェノールノボラック樹脂系レジスト
を用いる。このレジストは、枕レジストパターンの材料
であるイソポロペコケトン系ホトレジストを溶解しない
レジストである（図３の（Ｂ））。

【００３３】次に、画成レジストパターン５６および開
口部５４上に、導電膜５８を形成する。ここでは、導電
膜５８として金属薄膜５８を真空蒸着する。この金属薄
膜の材料としては、例えば、チタン／白金／金の合金、
または、クロム／金の合金を用いると良い（図４の
（Ａ））。

【００３４】次に、溶剤を用いて枕レジストパターン５
０および画成レジストパターン５６を除去する。その結
果、リフトオフ法により、残存導電膜として、絶縁膜２
０から浮き上がって張り出した空間電極部３８を具えた
周囲電極２６が画成される（図４の（Ｂ））。

【００３５】このように、第２の発明の半導体受光素子
の製造方法によれば、容易に、第１の発明の半導体受光
素子を製造することができる。

【００３６】上述した各形態では、これらの発明を特定
の条件で構成した例についてのみ説明したが、これらの
発明は多くの変向および変形を行うことができる。例え
ば、上述した各形態では、第１導電型をｎ型、第２導電
型をｐ型としたが、これらの発明では第１導電型をｐ
型、第２導電型をｎ型としても良い。

【００３７】また、上述した第２の形態においては、絶
縁膜中に遮光金属膜を設けた例について説明したが、絶
縁膜上に遮光金属膜を設けても良い。

【００３８】

【発明の効果】この出願に係る第１の発明の半導体受光
素子によれば、周辺電極の一部分に、絶縁膜から浮き上
がって張り出した空間電極部を具えている。このため、
周囲電極の厚さを特に厚くしなくとも、電極容量を増大
を抑制しつつ周囲電極の面積を広げることによって、周
波数応答特性の向上を図ることができる。

【００３９】また、第１の発明の半導体受光素子によれ
ば、絶縁膜のピンホール等による縁不良による暗電流の
増大の恐れなく、空間電極部によって周囲電極の面積を
広げることができる。従って、素子の信頼性および歩留
の向上が期待できる。

【００４０】さらに、第１の発明の半導体受光素子にお
いて、絶縁膜に遮光膜を設け、拡散領域端と空乏層幅以
上のギャップを空間電極部によって覆えば、迷光による
高速応答特性の劣化を抑制することができる。

【００４１】また、第２の発明の半導体受光素子の製造
方法によれば、枕レジストパターンおよびリフトオフ法
を用いて、容易に第１の発明の半導体素子を製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の半導体受光素子の構造の第１の形
態の説明に供する図である。

【図２】第２の発明の半導体受光素子の構造の第２の形
態の説明に供する図である。

【図３】（Ａ）および（Ｂ）は、第２の発明の半導体受
光素子の製造方法の第３の形態の説明に供する前半の工
程図である。

【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、図３の（Ｂ）に続く後
半の工程図である。

【符号の説明】

１０：基板１０ａ：第１主表面１０ｂ：第２主表面１２：バッファ層１４：光吸収層１６：ウィンド層１８：開口部２０、２０ａ：絶縁膜２２：境界２４：拡散領域２６：周囲電極２８：パッド電極３０：オーミック層３２：ｎ側電極３４：受光領域３６：反射防止膜３８：空間電極部４０：間隙４２：遮光金属膜４４：オーミック層５０：枕レジストパターン５２：周囲電極形成予定領域５４：開口部５６：画成レジストパターン５８：金属薄膜（導電膜）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の基板の第１主表面の上側
に、第１導電型の光吸収層および第１導電型のウインド
ウ層が順次に積層されており、該ウインド層上に、開口
部を有する絶縁膜を具え、該開口部に露出しかつ前記ウ
インド層と前記光吸収層との境界に達する第２導電型の
拡散領域を具え、前記開口部の周辺部に、該拡散領域と
電気的に接続した周囲電極を具えてなる半導体受光素子
において、該周囲電極の一部分に、前記絶縁膜から浮き上がって張
り出した空間電極部を具えてなることを特徴とする半導
体受光素子。
【請求項２】請求項１に記載の半導体受光素子におい
て、前記絶縁膜中または前記絶縁膜上に、前記周囲電極と電
気的に絶縁した遮光膜を具えてなることを特徴とする半
導体受光素子。
【請求項３】第１導電型の基板の第１主表面の上側
に、第１導電型の光吸収層および第１導電型のウインド
層を順次に積層し、該ウインド層上に、受光領域として
の開口部を有する絶縁膜を積層し、該絶縁膜を介して、
第２導電型の不純物を選択拡散して前記開口部から前記
ウインド層と前記光吸収層との境界に達する第２導電型
の拡散領域を形成する工程と、前記開口部の周囲の前記絶縁膜上の一部分に枕レジスト
パターンを形成する工程と、前記絶縁膜および前記枕レジストパターン上の前記周囲
電極形成予定領域に開口部を有する画成レジストパター
ンを形成する工程と、前記前記画成レジストパターンおよび前記開口部上に、
導電膜を形成する工程と、前記枕レジストパターンおよび画成レジストパターンを
除去することにより、残存導電膜として、絶縁膜から浮
き上がって張り出した空間電極部を具えた周囲電極を画
成する工程とを含むことを特徴とする半導体受光素子の
製造方法。