專利名稱：半導(dǎo)體感光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度依賴性小、不需要在原子層等級(level)的膜厚控制等并且靈敏度高的半導(dǎo)體感光元件。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體感光元件中，為了寬頻帶化，需要使光吸收層的膜厚變薄。可是，當(dāng)光吸收層的膜厚較薄時(shí)(例如，InGaAs、膜厚0.5iim 2iim)，無法得到充分的感光靈敏度。此夕卜，由于在低溫下光吸收層的帶隙變大，所以靈敏度進(jìn)一步降低。據(jù)報(bào)道，在含有Bi的II1- V族的半導(dǎo)體混晶中，帶隙的溫度變化隨著Bi的量變小而變小，特別是InGaAsBi，帶隙(0.6 1.5eV)相對于溫度變化為固定(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。還報(bào)道了在有源層以外使用InGaAsBi來謀求溫度特性的提高的半導(dǎo)體激光器(例如，參照專利文獻(xiàn)2、3)。報(bào)道了有源層由以兩種II1-V族半導(dǎo)體或者其混晶的薄膜為結(jié)構(gòu)單位的短周期超晶格構(gòu)成并且該薄膜中的晶格常數(shù)最大的薄膜含有Bi的半導(dǎo)體光元件(例如，參照專利文獻(xiàn)4)。例如，將在InAs和GaAs中的晶格常數(shù)大的InAs —方含有Bi的(InAsBi )m(GaAs)n的短周期超晶格用于有源層?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1:日本特開平9 - 8405號公報(bào)；專利文獻(xiàn)2:日本特開2000 - 223787號公報(bào)；
專利文獻(xiàn)3:日本特開2004 - 221413號公報(bào)；
專利文獻(xiàn)4:日本特開平11 - 68238號公報(bào)。發(fā)明要解決的課題
短周期超晶格由原子層單位的非常薄的兩種層構(gòu)成，并且兩種層交替地層疊。兩種層包含與InP襯底晶格不匹配率大的層(InP襯底和InAsB1、InP襯底和GaAs的晶格不匹配率為3%以上)，在做成短周期超晶格時(shí)以與InP襯底晶格匹配的方式分別設(shè)計(jì)為最佳的膜厚。關(guān)于短周期超晶格，如果不在原子層等級控制膜厚，則存在產(chǎn)生結(jié)晶缺陷、引起暗電流增大以及可靠性劣化的問題。此外,在專利文獻(xiàn)4的半導(dǎo)體激光器中，(InAsBi)i (GaAs)丨X 20周期的短周期超晶格的膜厚薄至0.1 y m以下程度。在將該短周期超晶格應(yīng)用于感光元件的光吸收層的情況下，因?yàn)槟ず褫^薄，所以無法得到充分的感光靈敏度。為了得到充分的靈敏度，需要形成例如膜厚為0.5 2 y m的短周期超晶格。可是，難以在原子層等級控制膜厚來以穩(wěn)定的組成使短周期超晶格晶體生長變厚到0.5 2 y m的程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述那樣的課題而完成的，其目的在于得到一種溫度依賴性小、不需要在原子層等級的膜厚控制等并且靈敏度高的半導(dǎo)體感光元件。用于解決問題的方案
本發(fā)明的半導(dǎo)體感光元件的特征在于，具備=InP襯底；以及半導(dǎo)體層疊構(gòu)造，設(shè)置在所述InP襯底上，至少具有光吸收層，所述光吸收層具有與所述InP襯底晶格匹配的InGaAsBi 層。發(fā)明效果
利用本發(fā)明，能夠得到溫度依賴性小、不需要在原子層等級的膜厚控制等并且靈敏度高的半導(dǎo)體感光元件。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式I的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖2是表示本發(fā)明實(shí)施方式I的半導(dǎo)體感光元件的立體圖。圖3是表示本發(fā)明實(shí)施方式2的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式3的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖5是表示本發(fā)明實(shí)施方式4的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖6是表示本發(fā)明實(shí)施方式5的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖7是表示本發(fā)明實(shí)施方式6的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。

圖8是表示本發(fā)明實(shí)施方式7的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖9是表示本發(fā)明實(shí)施方式8的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖10是表示本發(fā)明實(shí)施方式8的半導(dǎo)體感光元件的立體圖。圖11是表示本發(fā)明實(shí)施方式9的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖12是表示圖11的元件的光吸收層的剖視圖。圖13是表示本發(fā)明實(shí)施方式10的半導(dǎo)體感光元件的立體圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖對本發(fā)明實(shí)施方式的半導(dǎo)體感光元件進(jìn)行說明。對相同或者對應(yīng)的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，存在省略重復(fù)說明的情況。實(shí)施方式1.圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式I的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖，圖2為其立體圖。在載流子濃度為約5X IO18CnT3的n型InP襯底I上設(shè)置有半導(dǎo)體層疊構(gòu)造2。半導(dǎo)體層疊構(gòu)造2具有:在n型InP襯底I上依次層疊的n型InP層3、膜厚為0.5 2 y m且由與n型InP襯底I晶格匹配的i型InGaAsBi構(gòu)成的光吸收層4、以及膜厚為約2 y m的i型InP層5、以及膜厚為0.1 0.5 ii m且寬度為2 10 ii m的環(huán)狀的i型InGaAs接觸層6。在i型InP層5的一部分設(shè)置有載流子濃度為lX1019 lX102°cm_3的p型導(dǎo)電區(qū)域7。再有，在本說明書中晶格匹配意味著晶格不匹配率為0.5%以下。在i型InP層5上設(shè)置有由SiN構(gòu)成的表面保護(hù)膜8。表面保護(hù)膜8的膜厚為入射光波長的1/4。表面保護(hù)膜8也作為防反射膜發(fā)揮作用。由Ti/Au等構(gòu)成的p側(cè)電極9經(jīng)由i型InGaAs接觸層6電連接于p型導(dǎo)電區(qū)域7。由AuGe/Au構(gòu)成的n側(cè)電極10連接于n型InP襯底I的下表面。再有，也可以省略i型InGaAs接觸層6，使p型導(dǎo)電區(qū)域7和P側(cè)電極9直接連接。在此，入射光的波長例如是作為光通信波段的1.55i!m。由于采用入射光從n型InP襯底I的相反側(cè)入射的結(jié)構(gòu)(以下稱為表面入射)，所以i型InP層5的帶隙能量比光吸收層4大。接下來，簡單地對本實(shí)施方式的半導(dǎo)體感光元件的制造方法進(jìn)行說明。首先，使用MOCVD (Metal organic chemical vapor deposition,有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積)法等，在 n型InP襯底I上使n型InP層3、光吸收層4、i型InP層5、以及i型InGaAs接觸層6按順序進(jìn)行外延生長。接著，從表面?zhèn)仁筞n擴(kuò)散到i型InP層5的一部分直至到達(dá)光吸收層4，形成p型導(dǎo)電區(qū)域7。該擴(kuò)散方法是使用了掩模等的氣相擴(kuò)散、熱擴(kuò)散等。例如，在進(jìn)行熱擴(kuò)散的情況下，對SiN膜(未圖示)等進(jìn)行成膜，在該SiN膜的形成p型導(dǎo)電區(qū)域7的區(qū)域形成開口部，在包含該開口部上的區(qū)域的SiN膜上形成ZnO膜(未圖示)等，將SiN膜作為掩模進(jìn)行規(guī)定時(shí)間的熱處理。再有，也可以使用Cd、Be等雜質(zhì)來代替Zn。之后，除去SiN膜、ZnO膜等。接著，將i型InGaAs接觸層6的中央部和外部蝕刻除去，并呈環(huán)狀地進(jìn)行構(gòu)圖。接著，利用等離子體CVD法等在i型InP層5的表面形成表面保護(hù)膜8。將光刻法技術(shù)與使用了氫氟酸等的蝕刻組合起來，之后在形成P側(cè)電極9的區(qū)域，在表面保護(hù)膜8形成開口部。在表面保護(hù)膜8上形成光致抗蝕劑膜(未圖示)，并與表面保護(hù)膜8的開口部一致地在光致抗蝕劑膜形成開口部。之后，利用電子束(EB)蒸鍍形成Ti/Au膜，將該膜不需要的部分與光致抗蝕劑膜一起剝離，形成P側(cè)電極9。此時(shí)，在表面保護(hù)膜8上同時(shí)形成與P側(cè)電極9連接的焊盤(bonding pad)(未圖示)。之后，研磨n型InP襯底I的下表面,在n型InP襯底I的下表面形成n側(cè)電極10。通過以上的工序來制造本實(shí)施方式的半導(dǎo)體感光元件。接下來，對本實(shí)施方式的半導(dǎo)體感光元件的基本工作進(jìn)行說明。從外部施加n側(cè)電極10為正、p側(cè)電極9為負(fù)·的反偏壓。在該狀態(tài)下利用由p型導(dǎo)電區(qū)域7和n型InP襯底I構(gòu)成的Pn結(jié)，在光吸收層4形成耗盡層11。從半導(dǎo)體感光元件的上方入射的入射光在表面保護(hù)膜8和p型導(dǎo)電區(qū)域7中透射，被光吸收層4的耗盡層11吸收，產(chǎn)生電子和空穴。該電子和空穴被電場吸引，分別流向n型InP襯底I和p型導(dǎo)電區(qū)域7。將由此產(chǎn)生的光電流從P側(cè)電極9和n側(cè)電極10取出來作為信號電流。接著，將本實(shí)施方式的效果與比較例進(jìn)行比較并說明。在比較例中，光吸收層的材料為i型InGaAs。該光吸收層的帶隙為0.75eV左右，當(dāng)膜厚較薄(膜厚0.5 2 y m)時(shí)，無法得到充分的感光靈敏度。此外，當(dāng)使溫度變化時(shí)，帶隙改變，因此在低溫下感光靈敏度降低。另一方面，本實(shí)施方式的光吸收層4的InGaAsBi的帶隙能夠比InGaAs小，因此得到與比較例相比更高的感光靈敏度。例如，在光吸收層為Ina48Gaa52Asa 989Biatlll的情況下，帶隙能夠?yàn)?.69eV。此外，由于InGaAsBi的帶隙相對于溫度變化為固定，所以能夠抑制在低溫下的感光靈敏度的降低。此外，由于光吸收層4由單層的InGaAsBi層構(gòu)成，所以不需要在原子層等級的膜厚控制等。此外，由于光吸收層4與n型InP襯底I晶格匹配，所以能夠抑制結(jié)晶缺陷的產(chǎn)生并防止暗電流的增大以及可靠性的劣化。再有，i型InP層5只要比光吸收層的帶隙大即可,不限于InP,也可以是InGaAsP、InAlGaAs、InAlAs。此外,不限于I層，也可以將這些材料組合起來做成多層。實(shí)施方式2.圖3是表示本發(fā)明實(shí)施方式2的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。設(shè)置p型InP層12來代替實(shí)施方式I的i型InP層5以及p型導(dǎo)電區(qū)域7。由此，與實(shí)施方式I相比，制造工藝變得簡單。但是，從暗電流、可靠性的觀點(diǎn)出發(fā)，實(shí)施方式I更好。實(shí)施方式3.圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式3的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。該半導(dǎo)體感光元件是在實(shí)施方式I的結(jié)構(gòu)中追加有層疊在n型InP襯底I與光吸收層4之間的雪崩倍增層13以及電場緩和層14的雪崩光電二極管。雪崩倍增層13膜厚為0.15 0.m并由i型AlInAs構(gòu)成。電場緩和層14膜厚為0.03 0.06 ii m并由載流子濃度為0.5 I X IO18CnT3的p型InP構(gòu)成。雪崩倍增層13將在光吸收層4中生成的載流子倍增。電場緩和層14使從雪崩倍增層13向光吸收層4的電場強(qiáng)度緩和。在施加于半導(dǎo)體感光元件的反偏置電壓充分高的情況下，在雪崩倍增層13中，電子離子化，產(chǎn)生新的電子-空穴對。該新產(chǎn)生的電子和空穴引起進(jìn)一步的離子化，電子和空穴雪崩式地倍增(雪崩倍增)。由此，能夠使感光靈敏度上升。在此，優(yōu)選雪崩倍增層13由與n型InP襯底I晶格匹配的AlInAsBi層構(gòu)成。由于AlInAsBi層的帶隙相對于溫度變化為固定，所以與AlInAs相比能夠使擊穿電壓的溫度依賴性小。再有，在本實(shí)施方式中使電場緩和層14為p型InP，但是也可以采用p型AlInAs。也能夠根據(jù)情況省略電場緩和層14。此外，在雪崩倍增層13為AlInAsBi的情況下，也可以使光吸收層4為InGaAs。實(shí)施方式4.圖5是表示本發(fā)明實(shí)施方式4的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。設(shè)置p型InP層12來代替實(shí)施方式3的i型InP層5以及p型導(dǎo)電區(qū)域7。由此，與實(shí)施方式3相比制造工藝變得簡單。但是，從暗電流、可靠性的觀點(diǎn)出發(fā)，實(shí)施方式3更好。實(shí)施方式5.圖6是表示本發(fā)明實(shí)施方式5的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。在實(shí)施方式3的結(jié)構(gòu)之外，還在n型InP襯底I與光吸收層4之間設(shè)置有多層反射膜15。入射至半導(dǎo)體感光元件的入射光中的未被光吸收層4吸收而透射了的光被多層反射膜15反射,再返回至InGaAs光吸收層4并被吸收。其結(jié)果是，感光靈敏度改善。實(shí)施方式6.圖7是表示本發(fā)明實(shí)施方式6的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。設(shè)置p型InP層12來代替實(shí)施方式5的i型InP層5以及p型導(dǎo)電區(qū)域7。由此，與實(shí)施方式5相比制造工藝變得簡單。但是，從暗電流、可靠性的觀點(diǎn)出發(fā)，實(shí)施方式5更好。實(shí)施方式7.圖8是表示本發(fā)明實(shí)施方式7的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。在實(shí)施方式5的結(jié)構(gòu)之外，還以包圍P型導(dǎo)電區(qū)域 7以及其周圍的i型InP層5的一部分的周圍的方式在半導(dǎo)體層疊構(gòu)造2中形成有槽16。槽16至少設(shè)置在光吸收層4、電場緩和層14、以及雪崩倍增層13，在槽16內(nèi)形成有這些層的側(cè)面。由此，能夠得到暗電流少并且長期可靠性高的雪崩半導(dǎo)體感光元件。實(shí)施方式8.圖9是表示本發(fā)明實(shí)施方式8的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖，圖10是其立體圖。在半絕緣性Fe -1nP襯底17上設(shè)置有半導(dǎo)體層疊構(gòu)造2。半導(dǎo)體層疊構(gòu)造2具有:在半絕緣性Fe -1nP襯底17上依次層疊的n型InP層3、由AlInAsBi構(gòu)成的雪崩倍增層13、膜厚為0.03 0.06 ii m且載流子濃度為0.5 I X IO18CnT3的p型InP電場緩和層14、膜厚為0.5 2 ii m的由i型InGaAsBi構(gòu)成的光吸收層4、以及膜厚為約2 y m的i型InP層5、以及膜厚為0.1 0.5 ii m且寬度為2 10 y m的環(huán)狀的i型InGaAs接觸層6。在i型InP層5的一部分設(shè)置有載流子濃度為I X IO19 I X 102°cm_3的p型導(dǎo)電區(qū)域7。以包圍p型導(dǎo)電區(qū)域7以及其周圍的i型InP層5的一部分的周圍的方式在半導(dǎo)體層疊構(gòu)造2中形成有槽16。在i型InP層5上以及半絕緣性Fe -1nP襯底17的下表面設(shè)置有由SiN構(gòu)成的表面保護(hù)膜8。由Ti/Au等構(gòu)成的p側(cè)電極9經(jīng)由i型InGaAs接觸層6電連接于p型導(dǎo)電區(qū)域7。由AuGe/Au構(gòu)成的n側(cè)電極10通過槽16連接于n型InP層3。入射光從半絕緣性Fe -1nP襯底17的背面入射，未被光吸收層4吸收而透射了的光被P側(cè)電極9反射，再返回至InGaAs光吸收層4并被吸收。如本實(shí)施方式那樣，在將入射光從半絕緣性Fe -1nP襯底17的背面入射的雪崩半導(dǎo)體感光元件中也能夠應(yīng)用本發(fā)明，并且能夠得到與其它實(shí)施方式相同的效果。實(shí)施方式9.圖11是表示本發(fā)明實(shí)施方式9的半導(dǎo)體感光元件的剖視圖。圖12是表示圖11的元件的光吸收層的剖視圖。與實(shí)施方式7的不同點(diǎn)在于，光吸收層18是交替地層疊有與n型InP襯底I晶格匹配的InGaAsBi層19和與n型InP襯底I晶格匹配的InGaAs層20的多層構(gòu)造。由于光吸收層18與n型InP襯底I晶格匹配，所以能夠抑制結(jié)晶缺陷的產(chǎn)生并防止暗電流的增大以及可靠 性的劣化。具體而言，交替地層疊8對膜厚為70nm的InGaAsBi層19和膜厚為30nm的InGaAs層20，使開始和最后的層為InGaAs。但是，這些層的膜厚、對數(shù)不限于該例，而是能夠根據(jù)需要的靈敏度以及頻帶適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行設(shè)定。像這樣與n型InP襯底I晶格匹配的InGaAsBi層19和InGaAs層20的多層構(gòu)造不需要在原子層等級的膜厚控制等，沒有暗電流增大或可靠性劣化等的可能性。此外，通過做成InGaAs和InGaAsBi的多層構(gòu)造,從而能夠改善與InGaAs相比生長難的InGaAsBi的結(jié)晶性。其結(jié)果是，能夠緩和外延生長時(shí)的表面皸裂。實(shí)施方式10.圖13是表示本發(fā)明實(shí)施方式10的半導(dǎo)體感光元件的立體圖。在本實(shí)施方式中，將實(shí)施方式I的半導(dǎo)體感光元件做成陣列。不限于此，也可以將實(shí)施方式2 9的半導(dǎo)體感光元件做成陣列。附圖標(biāo)記的說明:
I n型InP襯底(InP襯底)；
2半導(dǎo)體層疊構(gòu)造；4、18光吸收層；
5 i型InP層(半導(dǎo)體層)；
7 p型導(dǎo)電區(qū)域(導(dǎo)電區(qū)域)；
13雪崩倍增層；
14電場緩和層；
15多層反射膜；
16槽；
17半絕緣性Fe -1nP襯底(InP襯底)；
19InGaAsBi 層；
20InGaAs 層。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體感光元件，其特征在于，具備: InP襯底；以及 半導(dǎo)體層疊構(gòu)造，設(shè)置在所述InP襯底上，至少具有光吸收層， 所述光吸收層具有與所述InP襯底晶格匹配的InGaAsBi層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體 感光元件，其特征在于，所述光吸收層由單層的所述InGaAsBi層構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體感光元件，其特征在于，所述光吸收層是交替地層疊有所述InGaAsBi層和與所述InP襯底晶格匹配的InGaAs層的多層構(gòu)造。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體感光元件，其特征在于，所述半導(dǎo)體層疊構(gòu)造還具有層疊在所述InP襯底與所述光吸收層之間的雪崩倍增層和電場緩和層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體感光元件，其特征在于，所述雪崩倍增層由與所述InP襯底晶格匹配的AlInAsBi層構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 3的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體感光元件,其特征在于,所述InGaAsBi層的帶隙為0.7eV以下。
7.一種半導(dǎo)體感光元件，其特征在于，具備: InP襯底；以及 半導(dǎo)體層疊構(gòu)造，設(shè)置在所述InP襯底上， 所述半導(dǎo)體層疊構(gòu)造具有在所述InP襯底上依次層疊的雪崩倍增層、電場緩和層、以及光吸收層， 所述雪崩倍增層由與所述InP襯底晶格匹配的AlInAsBi層構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 3、7的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體感光元件，其特征在于， 所述半導(dǎo)體層疊構(gòu)造還具有: 半導(dǎo)體層，設(shè)置在所述光吸收層上，帶隙比所述光吸收層大；以及 導(dǎo)電區(qū)域，設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的一部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體感光元件，其特征在于，以包圍所述導(dǎo)電區(qū)域的周圍的方式在所述半導(dǎo)體層疊構(gòu)造中形成有槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 3、7的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體感光元件，其特征在于，所述半導(dǎo)體層疊構(gòu)造在所述InP襯底與所述光吸收層之間具有多層反射膜。
全文摘要
本發(fā)明得到一種溫度依賴性小、不需要在原子層等級的膜厚控制等并且靈敏度高的半導(dǎo)體感光元件。在n型InP襯底(1)上設(shè)置有至少具有光吸收層(4)的半導(dǎo)體層疊構(gòu)造(2)。光吸收層(4)由與n型InP襯底(1)晶格匹配的InGaAsBi層構(gòu)成。由于InGaAsBi的帶隙小，所以得到高的感光靈敏度。此外，由于InGaAsBi的帶隙相對于溫度變化為固定，所以感光靈敏度的溫度依賴性變小。此外，由于光吸收層(4)由與n型InP襯底(1)晶格匹配的InGaAsBi層構(gòu)成，所以不需要在原子層等級的膜厚控制等。
文檔編號H01L31/0735GK103247708SQ20131005003
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)明者笹畑圭史, 石村榮太郎 申請人:三菱電機(jī)株式會社