JP2008028421A - アバランシェフォトダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な工程で、低暗電流、かつ長期信頼性の高いアバランシェフォトダイオードを提供する。
【解決手段】 第１電極と、これに電気的に接続された第１導電型からなる第１の半導体層を具備する基板とを備えるアバランシェフォトダイオードにおいて、前記基板上に、少なくともアバランシェ増倍層と、光吸収層と、前記光吸収層よりバンドギャップの大きい第２の半導体層とを積層し、前記第２の半導体層内に第２導電型導電領域を形成し、前記第２導電型導電領域を第２電極に電気的に接続するように配置させる構成とする。前記第２導電型導電領域および第２導電型導電領域の周囲の第２の半導体層の一部を残し、その外周の基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層を除去して前記光吸収層の側面を形成し、光吸収層をアバランシェ増倍層より狭くする構成とする。
【選択図】 図８

Description

本発明は、半導体を用いた受光素子に係り、特に暗電流が低く、長期的に信頼性の高いアバランシェフォトダイオードに関する。

光通信等で使用されるアバランシェフォトダイオードは、光電変換を行なう光吸収層に加え、光電変換されたキャリアをアバランシェ（雪崩）増倍させる層を設けることによって受光感度を高めた半導体受光素子であり、暗電流が低くかつ高い信頼性を有することが要求される。

上記アバランシェフォトダイオードの多くは化合物半導体によって形成され、その構造からメサ構造とプレーナ構造に大別することができる。メサ構造は、基板上にメサ（台地）を形成し、同メサ中にｐｎ接合を含んだ構造をとるものであり、メサ周辺の表面でブレークダウンが生じやすい。これを抑制するため、一般に傾斜を設けた構造が採られ、さらにメサ外周領域に高抵抗部となる埋め込み層を設けるなどの構造をとり、暗電流を低く抑える工夫がなされている（例えば特許文献１）。
プレーナ構造は、選択拡散領域を設けることによりｐｎ接合を形成するものであるが、前記ｐｎ接合のエッジ部におけるエッジブレークダウンが問題となる。エッジ部で電流が流れると、電圧を増大させても中央に位置する受光部のｐｎ接合の逆方向電圧はほとんど増加しないため、アバランシェフォトダイオードとしての機能を発揮できない。そのため例えば前記エッジ部に不純物注入などにより高抵抗のガードリングを設けるなどの対策がとられている（例えば特許文献２）。

特開２００２−３２４９１１号公報（第１図） 特開平７−３１２４４２号公報（第４−６頁、第２、６図）

しかしながら、従来のアバランシェフォトダイオードでは次のような問題があった。
傾斜型メサ構造において、メサ外周領域に埋め込み層を設けるためには、例えば有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ）法などで、部分的に、かつ結晶面によらず均一に結晶再成長させるというプロセスが必要であるため、製造コストが上昇する、歩留まりが悪いという問題があった。また暗電流を低くする対策がとられているものの抑制効果が不十分であるという問題があった。
プレーナ構造において（特許文献２では擬似プレーナ構造と記載）、例えば受光領域周辺部の電界緩和層のｐ導電型を補償してガードリングを形成する方法では、トレンチを形成してＴiなどのイオン注入を行なわなければならず、エッチングストッパー層を設ける必要があった。さらにその外周に不純物拡散層を設けるので、プロセスが複雑となり製造コストが上昇するとともに、歩留まりにも問題があった。また光吸収層中のガードリングの電界強度が高くなるのでトンネル暗電流が大きくなるなどの問題もあった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、簡易な工程で作製でき、かつ暗電流が抑制され、長期信頼性が確保されたアバランシェフォトダイオードを提供することを目的とするものである。

本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、第１電極と、これに電気的に接続された第１導電型からなる第１の半導体層を具備する基板とを備え、前記基板には、少なくともアバランシェ増倍層と、光吸収層と、前記光吸収層よりバンドギャップの大きい第２の半導体層とが積層され、前記第２の半導体層内には、第２導電型導電領域が形成され、前記第２導電型導電領域は、第２電極に電気的に接続され、かつ、第２導電型導電領域および前記第２導電型導電領域の周囲の第２の半導体層の一部を残し、その外周の基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層が除去されて前記光吸収層の側面が形成され、前記光吸収層は前記アバランシェ増倍層より狭く形成されているものである。

本発明によれば、簡易な工程で、低暗電流、かつ長期信頼性の高いアバランシェフォトダイオードを提供できる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。ここでは第１導電型としてｎ型を、第２導電型としてｐ型を、第１電極としてｎ電極を、第２電極としてｐ電極を用いている。各半導体層の作製は、例えばｎ型ＩｎＰなどのウエハ状の基板１上に、ＭＯ-ＣＶＤや分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などを用いて実現できる。本実施の形態１では次の工程順で作製した。基板１上に、例えばキャリア濃度０．２〜２×１０^１９ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＰなどの第１の半導体層２（以下バッファ層という）を厚み０．１〜１μｍに、ｉ型ＡｌＩｎＡｓのアバランシェ増倍層４を厚み０．１５〜０．４μｍに、キャリア濃度０．５〜１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＩｎＰの電界緩和層５を厚み０．０３〜０．０６μｍに、キャリア濃度１〜５×１０^１５ｃｍ^−３のｐ⁻型ＧａＩｎＡｓの光吸収層６を厚み１〜１．５μｍに、ｉ型ＩｎＰなどの前記光吸収層６よりバンドギャップの大きい第２の半導体層８を厚み１．０〜２μｍに、ｉ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９を厚み０．１〜０．５μｍに順次成長させた。ここでは被検出光を基板１と反対側から入射する構成（以下表面入射という）をとるため、前記第２の半導体層８のバンドギャップは被検出光のエネルギーより大きくしている。また第２の半導体層８は、被検出光を透過させるので以下第２の半導体層８を窓層という。

次に、直径２５〜５５μｍの円形をくり貫いたＳｉＯｘ膜をマスクとして、前記マスクに覆われていない円形部にｐ型導電領域１０を例えばＺｎ選択熱拡散方法で形成する。続いて前記ｐ型導電領域１０上のｉ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９が、幅５〜１０μｍのリング状に残るように中央部と外部をエッチング除去する。さらに蒸着によりＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１２０を形成し、前記コンタクト層９の上部にある前記ＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１２０を取り除き、前記コンタクト層９の上にｐ電極１４をＡｕＺｎによって形成する。さらに基板１において、バッファ層２が積層されている面と逆の面を研摩し、ｎ電極１３をＡｕＧｅによって形成し、前記ｎ電極１３に前記バッファ層２が電気的に接続されるようにする。さらにウエハ状の基板１を劈開分離して、劈開面２７を有する３００μｍ角程度の素子とする。

上記の工程で作製されたアバランシェフォトダイオードの動作を以下に説明する。ｎ電極１３側がプラス、ｐ電極１４側がマイナスとなるように外部から逆バイアス電圧を加えた状態で、ｐ電極１４側から光２８を入射させる。例えば光通信波長帯である１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯の近赤外領域の光を前記コンタクト層９のリング内部に入射させると、光は窓層８を透過し光吸収層６において吸収されて電子−ホール対を発生し、前記電子はｎ電極１３側、前記ホールはｐ電極１４側に移動する。逆バイアス電圧が充分に高い時、前記アバランシェ増倍層４において電子はイオン化して新たな電子−ホール対を生成し、新たに生成された電子、ホールと共にさらなるイオン化を引き起こす事によって、電子、ホールが雪崩的に増倍するアバランシェ増倍が引き起こされる。

次に、図１に示す本実施の形態のアバランシェフォトダイオードにおける電界強度について説明する。図２は図１のＡ−Ａ'断面における深さ方向の電界強度分布を表した特性図であり、図３は図１のＢ−Ｂ'断面及びＣ−Ｃ'断面における面方向の電界強度分布を表した特性図である。図２及び図３の横軸の符号は上記形成した各半導体層を示し、図中Ａ−Ａ’断面をＡ−Ａ'、Ｂ−Ｂ'断面をＢ−Ｂ'、Ｃ−Ｃ'断面をＣ−Ｃ'と表す。図２に示すように、最も高電界となる部分はアバランシェ増倍層４となる。さらに図３のＢ−Ｂ'断面における電界強度分布で示されるように、その中でも前記ｐ型導電領域１０直下の受光領域中央部が最も高い領域となり、周辺部にいく程電界強度は小さくなる。また図３のＣ−Ｃ'断面における電界強度分布で示されるように、前記ｐ型導電領域１０の周辺部の電界強度は拡散領域の有限の曲率により中央部よりも高くなるが、図２のＢ−Ｂ'断面における電界強度分布と比較するとアバランシェ増倍層４にかかる電界強度よりは低いため、エッジブレークダウンとして知られる周辺部での電流を抑えることができ、アバランシェフォトダイオードとして機能させることができる。

さらに、拡散領域周辺の電界強度が局所的に高い領域、すなわち図３のＣ−Ｃ'断面において前記ｐ型導電領域１０の周辺部で電界強度が高くなっている部分を、光吸収層６よりもバンドギャップの大きな窓層８内に形成しているので、前記電界強度が高くなっている部分からトンネル暗電流が流れることを抑制することができる。したがって、本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードは、エッジブレークダウンを抑制するガードリングと呼ばれる構造を設ける必要がなく、簡易に低暗電流で高信頼性を有するアバランシェフォトダイオードを実現することができる。

なお本実施の形態では、Ｚｎを用いた選択熱拡散によってｐ型導電領域１０を形成する例について説明したが、用いる原子はｐ導電型を付与するものであればよい。他の形成方法としては、例えば円形をくり貫いたＳｉＯｘ膜をマスクとして、ｐ型導電領域をＺｎ選択熱拡散方法で形成した後に、拡散の供給源であるＺｎ膜および前記ＳｉＯｘ膜を除去し、さらに再度熱拡散処理を行いｐ型導電領域内部のＺｎを拡散させてもよい（以下Ｚｎ追加拡散という）。また、例えば円形をくり貫いたフォトレジスト膜をマスクとして、Ｂｅをイオン注入した後にフォトレジスト膜を除去し、７００℃程度で１２時間程度熱アニーリング処理をすることによっても形成できる（以下Ｂｅ注入という）。

図４は、ｐ型導電領域１０の形成方法として、前記Ｚｎ選択熱拡散（図中Ｄ）、Ｚｎ追加拡散（図中Ｅ）、およびＢｅ注入（図中Ｆ）を用いた場合の深さ方向（導電領域１０−窓層８接合部）におけるキャリア濃度の違いを示した特性図である（横軸の符号はそれぞれの層に相当する）。これより、Ｚｎ追加拡散を用いた場合、著しくキャリア濃度が変化するＺｎ選択熱拡散に比べキャリア濃度変化を緩やかにすることができるため、導電領域１０−Ｐ窓層８接合部での電界強度をより低く抑えることができ、トンネル暗電流を抑制できる。またＢｅ注入では、さらにキャリア濃度変化を緩やかにすることができる。

なお本実施の形態では、電界緩和層５をｐ型ＩｎＰとした例を示したが、ＡｌＩｎＡｓとしてもよい。状況により電界緩和層５を省略することもできる。またｐ型導電領域１０とｐ電極１４とを電気的に接続させるためコンタクト層９を設けた例を示したが、ｐ型導電領域１０とｐ電極１４とを直接接触させてもよい。窓層８としてｉ型ＩｎＰを用いる例を示したが、導電型は半絶縁性、絶縁性、ｎ型、あるいは導電性の低いｐ型のいずれであってもよい。窓層８と光吸収層６との間に、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰなどを含むストッパ層３を設ければ、ｐ型導電領域１０から光吸収層６へｐ型導電領域が拡散することを抑制でき、さらに好ましい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２によるアバランシェフォトダイオードでは、上記実施の形態１で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層６と窓層８との間に、さらに遷移層７を設けた。形成方法としては、上記実施の形態１で光吸収層６を成長させた工程に続き、例えばｉ型ＧａＩｎＡｓＰを厚み０．０１〜０．０５μｍに成長させ、遷移層７とした。

図５は、本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードの伝導帯及び価電子帯の層接合部でのエネルギー分布を示している。横軸の符号は積層された各半導体層を、縦軸はエネルギーを示し、図中Ｇは伝導帯、図中Ｈは価電子帯、図中Ｉはホールそれぞれのエネルギーを示している。図５より、遷移層７の価電子帯エネルギーは、光吸収層６よりも低く、窓層８よりも高い値、すなわち光吸収層６と窓層８との間の値をとることがわかる。これは、光吸収層６と窓層８との間に、遷移層７を挟むことにより、価電子帯の不連続量が小さくなり、光吸収層６よりホールが流れやすくなることを示している。したがってヘテロ界面でのホールのパイルアップを防ぐことができ、より高速な光応答を実現できる。

なお、前記遷移層７は単層としたが、段階的にバンドギャップを変化させた複数層としてもよい。複数層にすることにより価電子帯の不連続量はさらに小さくなり、その結果ホールが流れやすくなるため、より高速な光応答を実現できる。また、図５において破線で示すように、連続的にバンドギャップを変化させた層としてもよい。

本実施の形態において、遷移層７としてｉ型ＧａＩｎＡｓＰを用いた例を示したが、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰを用いてもよい。特に窓層８にＩｎＰを用いた場合に、第２導電型領域の拡散ストッパとして機能する。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３によるアバランシェフォトダイオードでは、上記実施の形態１、２で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、ｐ型導電領域１０の周辺にさらにｐ型周辺導電領域１１０を設けた。図６、図７は、本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。ここで６は光吸収層、３はストッパ層であり、ホール遷移および拡散ストッパを兼ねている。８は窓層、９はコンタクト層である。
図６に示すアバランシェフォトダイオードは、コンタクト層９の外周を超えた広い範囲に遷移層７に達しない程度に浅く選択熱拡散を行なってｐ型導電領域１１０を形成し、その後に、上記ｐ型周辺導電領域１１０の領域より狭い範囲に遷移層７に達する程度に深く選択熱拡散を行なってｐ型導電領域１０を形成したものである。上記ｐ型導電領域１０の領域は、重ねて選択熱拡散されている。このように、ｐ型導電領域１０の抵抗を十分上げることができ、さらにｐ型周辺導電領域１１０で周辺を取り囲むようにしているので、表面電界強度を下げることができる。したがってブレークダウンをさらに抑制でき、信頼性を増すことができる。

また、図７に示すアバランシェフォトダイオードは、コンタクト層９の下に形成したｐ型導電領域１０の周辺を取り巻くように、環状にｐ型周辺導電領域１１０を形成したものである。このようにｐ型導電領域１０およびｐ型周辺導電領域１１０を形成しても、表面電界強度の低下が図れ、ブレークダウンを抑制できる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４によるアバランシェフォトダイオードを示す概略構造を示す断面図であり、現象を説明するため、イメージ的に空乏化領域１１を示している。本実施の形態では、上記実施の形態１で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、ｐ型導電領域１０を含み、上記ｐ型導電領域１０の周辺領域を径１００μｍ程度の円形状に残し、その外周の窓層８、光吸収層６を電界緩和層５に達するまで除去し、側面２５を形成した（以下側面除去という）。

図９は、上記側面除去したアバランシェフォトダイオードについて、電流および増倍率Ｍと逆バイアス電圧の関係を示した特性図である。図中破線は、上記側面除去せず単に劈開して素子分離した上記実施の形態１のアバランシェフォトダイオードの暗電流特性である。逆バイアス電圧に依存しない暗電流（図中Ｉｄａｒｋ）は、光吸収層６からの発生暗電流であり、単に劈開したのみの構成では前記発生暗電流が劈開面を経由して流れるため、暗電流は１０^−７Ａレベル（図中Ｉｄａｒｋ破線）となる。これに比較し、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードでは光吸収層６からの発生暗電流経路を遮断できるため、暗電流を１０^−８Ａレベル（図中Ｉｄａｒｋ実線）まで低減できることがわかる。

上述のとおり暗電流は、主に光吸収層６から発生し、空乏化領域１１を経路として流れるため、少なくとも空乏化領域１１を囲む光吸収層６を除去すればよい。空乏化領域１１の拡がりを考慮すれば、例えば第２導電型導電領域より１０μｍ以上の幅の光吸収層６を残して、側面除去するとよい。

前記側面除去により残す光吸収層６の幅を小さくすると、前記側面除去した面の電界強度が高くなり、長期信頼性も低下するため、側面除去により残す光吸収層６の幅は、１０μｍ以上２００μｍ以下程度とするのが好ましい。また、前記側面除去により残す光吸収層６の形状は特に限定するものではなく、円形状、楕円形状に残してもよく、四角形状、多角形状にしてもよい。前記四角形状、多角形状とする場合には、角部に丸みを設けると前記角部での電界集中を防ぐことができ好ましい。

側面除去の方法としては、例えばＨＢｒ／過酸化水素水混合溶液を用いてエッチングする方法がある。またクエン酸、酒石酸などの有機酸と過酸化水素水の混合溶液を用いた有機酸エッチングを用いてもよい。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによるドライエッチングとしてもよい。またＩｎＰ系材料を選択的にエッチングする場合は、塩酸／リン酸混合溶液などの塩酸系溶液を用いることができる。ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料やＧａＩｎＡｓＰ系材料を選択的にエッチングする場合は、有機酸（クエン酸、酒石酸など）／過酸化水素水混合溶液などの有機酸系溶液、硫酸系溶液を用いることができる。これらに選択エッチング性の小さいＨＢｒ／過酸化水素水やＢｒ／メタノールなどのＢｒ系溶液などを適宜組み合わせれば所望の側面除去が達成できる。

また、本実施の形態では電界緩和層５に達するまで側面除去する例を示したが、アバランシェ増倍層４より深い層まで側面除去してもよい。
本実施の形態では窓層８と光吸収層６とを接合させた例を示したが、上記実施の形態２あるいは実施の形態３で示したように、窓層８と光吸収層６との間に遷移層７あるいはストッパ層３を設けてもよい。
本実施の形態では導電領域１０を形成した例を示したが、上記実施の形態３で示したようにさらに周辺導電領域１１０を形成してもよい。

実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。本実施の形態では、上記実施の形態４で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層６の幅が窓層８および電界緩和層５より小さくなるように側面２５を形成した。例えば有機酸と過酸化水素水の混合溶液を用いれば、選択的に光吸収層６を深くエッチングできる。このようにして光吸収層６と電界緩和層５に段差を設けることにより、暗電流は流れにくくなり、前記暗電流を１０^−８Ａレベル以下に低減できた。

なお、特に電界緩和層５を設ける必要がない場合は、前記電界緩和層５を省略し、その下のアバランシェ倍増層４と光吸収層６とに段差を設ければよい。

実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態６によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。本実施の形態では、上記実施の形態４で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、窓層８を塩酸／リン酸溶液で側面除去し、有機酸／過酸化水素水溶液により光吸収層６を側面除去した後、光吸収層８の側面２５より１０μｍ程度離れた位置において電界緩和層５、アバランシェ増倍層４、バッファ層２の一部をＨＢｒ／過酸化水素水混合溶液を用いて除去して溝２６を形成した。このように少なくとも光吸収層６を側面除去した上で、さらに上記溝２６を設けることにより、光吸収層６から暗電流が流れにくくなり、前記暗電流を１０^−８Ａレベル以下に低減できた。

なお、上記側面２５と上記溝２６との隔たりを１０μｍとしたが、１０μｍ以上としてもよい。
溝２６は、電界緩和層５、アバランシェ増倍層４、バッファ層２を除去して形成したが、少なくとも電界緩和層５を除去すればよい。電界緩和層５を設けない場合は、少なくとも最上層を除去すればよい。

実施の形態７．
図１２は本発明の実施の形態７によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。本実施の形態では、上記実施の形態４〜６で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、少なくとも除去された光吸収層６の側面２５を覆うようにＳｉＮｘにより保護膜１２を形成した。
前記保護膜１２を設けることにより、酸化や水分吸収を防止できるため、暗電流発生を抑制でき、長期信頼性を得ることができる。さらに素子取り扱い時の接触による破損の防止ができる効果もある。

なお、保護膜１２としてＳｉＮｘを用いれば反射防止の効果をもたせることもできるため好ましいが、保護の観点からＳｉＯｘなどの誘電体やポリイミドなど有機材料を用いてもよい。
本実施の形態の図１２では、保護膜１２を、光吸収層６の側面２５のみでなく上面および他の層の側面にも設けた例を示したが、少なくとも除去された光吸収層６の側面２５を覆えば、その他は必要な部位のみ部分的に設けてもよい。

実施の形態８．
図１３は本発明の実施の形態８によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。上記実施の形態１と同様にして、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、キャリア濃度２×１０¹⁸〜２×１０^１9ｃｍ^−３のｎ型ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ分布ブラッグ反射層２３を所定の厚みに、ｎ型ＡｌＩｎＡｓ反射調整層２４を所定の厚みに、ｉ型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層４を０．１〜０．３μｍに、キャリア濃度１×１０^1７〜２×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＩｎＰ電界緩和層５を０．０３〜０．０６μｍに、キャリア濃度１〜５×１０^１5ｃｍ^−３のｐ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層６を１．０〜１．５μｍに、ｉ型ＧａＩｎＡｓ遷移層７を０．０２〜０．２μｍに、ｉ型ＩｎＰ窓層８を１．０〜２．０μｍに、ｉ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９を０．１〜０．４μｍに順次成長させた。

ここで上記分布ブラッグ反射層２３の所定の厚みとは、検出したい光の波長をλ，屈折率をｎとして、λ／（４ｎ）の奇数倍で与えられるブラッグ反射条件を満たすものとする。好ましくは最も小さいλ／（４ｎ）とするのがよい。
また、反射調整層２４の所定の厚みとは、該厚みをｔ_ｒ、屈折率をｎ_ｒ、アバランシェ増倍層４の厚みをｔ_a、屈折率をｎ_ａ、電界緩和層５の厚みをｔ_ｅ、屈折率をｎ_ｅとすると、
ｔ_ｒ＝１／（４×ｎ_ｒ）（ｋ×λ−４×（ｔ_ａ×ｎ_ａ＋ｔ_ｅ×ｎ_ｅ））＞０
（ｋは奇数）
を満たすものである。好ましくは最小値を使用するのがよい。

さらに上記実施の形態１と同様にして、ｐ型導電領域１０、コンタクト層９を形成し、上記実施の形態４と同様にして側面除去し、上記実施の形態７と同様にしてＳｉＮｘにより、上面および側面に保護膜１２を形成した。

本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードにおいて、ｎ電極１３をプラス、ｐ電極１４をマイナスとして外部から逆バイアス電圧を加えた状態で光２８を入射させると、光は光吸収層６で吸収され電子−ホール対を生成する。一部の光は上記光吸収層６で吸収されずに透過されるが、上記所定の厚みを有する反射調整層２４と分布ブラッグ反射層２３によって効果的に反射されて再び光吸収層６に入射され、吸収される。この光はさらに電子−ホール対を生成し、逆バイアス電圧により光吸収層６が空乏化している領域では、電界により発生した電子はプラス側に、ホールはマイナス側にドリフトする。遷移層７に達したホールは上記各層間での価電子帯の不連続量が抑えられているので、滞ることなくｐ型導電領域１０に達する。したがってさらに高速な応答が可能となる。
特に逆バイアス電圧が充分に高い時、アバランシェ増倍層４に達した電子はイオン化して電子−ホール対を生成し、生成された電子、ホールもそれぞれ反対方向にドリフトする。これらの電子、ホールがさらにイオン化することにより電子、ホールが雪崩的に増倍することができる。

本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードにおける電界強度分布についても上記実施の形態１で示した図２と同様に、アバランシェ増倍層４中でイオン化によるアバランシェ増倍を引き起こすよう最も高くなり、電界緩和層５中において変化し、光吸収層６でトンネルブレークダウンが生じないようにできる。さらに図３と同様に各層と平行方向（面方向）の電界強度分布は、アバランシェ増倍層４中でｐ型導電領域１０直下が最も高く、エッジブレークダウンを生じないようになっている。またバンドギャップの大きい遷移層７を設けたので、さらにブレークダウンは生じにくい。また光吸収層６を側面除去したので、暗電流経路が遮断され、遷移層７での電界強度の立ち上がりを、上記実施の形態２の例よりさらに抑えることができた。

図１４は、本実施の形態による受光感度分布を示した特性図であり、ピークを１とした規格化光電流で表している。図１４よりｐ型導電領域１０中央部において最も感度が高く、エッジブレークダウンがなく良好なアバランシェ増倍が得られることがわかる。
本実施の形態では、分布ブラッグ反射層２３および反射調整層２４を設けたので、光吸収層６において吸収されずに透過した光を再度光吸収層６へ向けて反射させることができるので、光吸収層６での光吸収量をより高めることができる。したがってアバランシェフォトダイオードの光感度を高めることが可能となる。

なお、本実施の形態では分布ブラッグ反射層２３をＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓとする例を示したが、屈折率の高い層と低い層を交互に積層すればよい。屈折率の高い層としては、ＧａＩｎＡｓやＡｓ組成比の高いＧａＩｎＡｓＰや、Ｇａ組成比の高いＡｌＧａＩｎＡｓなどを用いることができる。屈折率の低い層としては、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＩｎＡｓ特にＡｌＩｎＡｓ、Ｐ組成比の高いＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰを用いることができる。
また、本実施の形態では、反射調整層２４として屈折率の低いＡｌＩｎＡｓを用いた例を示したが、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰなどを用いてもよい。
分布ブラッグ反射層２３、反射調整層２４におけるｎ型キャリア濃度については、抵抗が動作速度に対し問題とならない範囲で変化させればよく大きいほどよい。

また、本実施の形態では、基板１とアバランシェ増倍層４との間にブラッグ反射層２３および反射調整層２４を設けた例を示したが、光吸収層６の光出射面側にブラッグ反射層２３および反射調整層２４が所定の厚みで設けられていればよい。光吸収層６とブラッグ反射層２３との間に他の層が挟まれていてもよい。この場合、ブラッグ反射層２３の所定の厚みは、検出する光の波長をλ、前記ブラッグ反射層の屈折率をｎとしたときに、λ／（４ｎ）で表される数値の奇数倍とし、反射調整層２４の所定の厚みｔ_ｒは、反射調整層２４の屈折率をｎ_ｒ、光吸収層６とブラッグ反射層２３との間に挟まれる層の厚みをｔ_１、ｔ_２、・・・ｔ_ｎ、屈折率をｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、・・・ｎ_ｎ、ｋを奇数としたときに、
ｔ_ｒ＝１／（４×ｎ_ｒ）（ｋ×λ−４×Σ（ｔ_n×ｎ_n））＞０
を満たす数値であればよい。

また、本実施の形態では、電界緩和層５まで側面除去する例について説明したが、電界緩和層５を必要に応じ省略してもよく、反射調整層２４に至るまで側面除去してもよい。反射調整層２４まで側面除去することにより、空乏化領域１１の露出を防止できるので、さらに信頼性が向上する。

実施の形態９．
図１５は、本発明の実施の形態９によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。本実施の形態では上記実施の形態４〜９で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、側面除去した後、外周部に絶縁膜１５を設け、この絶縁膜１５の一部を除去してｎ電極１３を形成した。本実施の形態のアバランシェフォトダイオードは、素子表面にｎ電極１３とｐ電極１４とを配置させることができるため、ｎ電極１３、ｐ電極１４ともにワイヤ配線接合が可能となる。また、ｎ電極１３にＡｕＺｎなどを用いてバンプ電極を形成すれば、フリップチップ実装が可能となる。また、ｎ電極１３とｐ電極１４を同材料にして同時に形成することもできる。

なお、本実施の形態における絶縁膜１５は保護膜１２を流用してもよい。
また本実施の形態において、反射調整層２４上にｎ電極１３を形成する例を示したが、反射調整層２４およびブラッグ反射層２３を構成する層のうち、バンドギャップの小さい層上に配置すればコンタクト抵抗を低減することができる。材質としてはＧａＩｎＡｓとコンタクトさせることが好ましい。

また、本実施の形態では反射調整層２４に至るまで側面除去した例を示したが、光吸収層６まででもよく、電界緩和層５あるいはアバランシェ増倍層４まででもよい。また遷移層７、電界緩和層５を省略してもよい。反射調整層２４、分布ブラッグ反射層２３を省略してもよい。上記実施の形態３で示したｐ型周辺導電領域１１０を設けてもよい。

また、側面除去は劈開面２７まですべて行う必要はなく、例えば図１６に示すように外周の第１導電型半導体基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層が除去されるように上面から除去してとまり孔３０を部分的に形成してもよい。図１７は、とまり孔３０を設けた場合の電流および増倍率Ｍと逆バイアス電圧の関係を示した特性図である。図中破線は、上記側面除去せず単に劈開して素子分離した上記実施の形態１のアバランシェフォトダイオードの暗電流特性である。とまり孔３０を設けることにより、空乏化領域の拡がりが変化するので光電流（図中Ｉｐｈｏｔｏ）が一旦減少するが、上記実施の形態４と同様に暗電流を１０^−８Ａレベル（図中Ｉｄａｒｋ実線）まで低減できることがわかる。

なお、前記とまり孔３０の形状は特に限定するものではなく、リング状、トラック形状に残してもよい。前記リング状とは、円形の中央部を抜いた形状のみではなく、四角形状、多角形状の中央部を抜いた形状も含む。電界集中を防止できるように角部に丸みを設けた形状が好ましい。同様に前記トラック形状とは、長方形の両端を半円で囲み、中央部を抜いた形状を指すが、前記半円部は、四角形状、多角形状の一部である形状を含む。同様に角部に丸みを設けた形状が好ましい。また、前記トラック形状は、楕円形状の中央部を抜いた形状も含む。

また、図１８に示すように、前記とまり孔３０を設け、さらにその外側に第２のとまり孔３０を設けてもよい。複数のとまり孔３０を設けるとハンドリング時に発生するチッピング、キズを外側でとめることができ、歩留まり、信頼性が向上できる。

また、ｎ電極１３を上面に引き出すようにすれば、さらに実装が容易となる。外周部にｐ型周辺導電領域１１０を設けてもよい。

上記実施の形態１〜９において、基板１に半絶縁性基板２９を用いて、表面入射としてもよい。この場合静電容量を抑えることができるので動作帯域を向上することができる。

なお、本実施の形態では、素子表面にｎ電極１３とｐ電極１４とを配置させるために、とまり孔３０を設ける例を示したが、とまり孔３０は、第２導電型導電領域１０を含み、前記第２導電型導電領域の周囲の第２の半導体層８を残し、その外周の基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層の側面除去する手段として用いることができる。すなわち上記実施の形態１〜８における基板１の裏面に第１電極１３を設けた本発明のアバランシェフォトダイオードにおいて、側面除去手段として、とまり孔３０を設けることもでき、同様に暗電流を低減できる効果を奏する。

実施の形態１０．
図１９は、本発明の実施の形態１０によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。本実施の形態では上記実施の形態１〜９で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、基板１にＦｅドープなどによるＩｎＰなどの半絶縁性基板２９を用いる。また光２８を半絶縁性基板２９基板側から入射させる。半導体の積層方法としては、例えば半絶縁性基板２９上に、キャリア濃度２×１０^１８〜２×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層１９、ｉ型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層４を０．１〜０．３μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁷〜２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型ＩｎＰ電界緩和層５を０．０３〜０．０６μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵〜５×１０¹⁵ｃｍ^-3のｐ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層６を１．０〜１．５μｍ、ｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層７を０．０２〜０．２μｍ、ｉ型ＩｎＰの第２の半導体層８（裏面より光入射させる場合はキャップ層として機能する）を１．０〜２．０μｍ、ｉ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９を０．１〜０．４μｍ順次成長させた後、ｐ型導電領域１０、ＧａＩｎＡｓコンタクト層９、およびｐ電極１４を形成した。さらにｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層１９に至るまで側面除去し、上面および側面２５を覆うように保護膜１２を設け、ｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層１９にコンタクトさせるようにｎ型電極１３を形成した。

本実施の形態のアバランシェフォトダイオードは、上述のように構成したので、裏面より光２８を入射させ、光吸収層６を透過した光をｐ電極１４によって反射させることができる。またｎ電極１３とｐ電極１４をＩｎＰ半絶縁性基板２９の表面に設けているので、フリップチップ実装が可能である。またＦｅドープＩｎＰ半絶縁性基板を用いることにより電気容量を低減できるので、高速化が可能となる。基板での吸収を抑制する効果もある。また側面２５を設けているので、側面入射導波路型としても利用でき、素子容量を低減できる。

本実施の形態では、半絶縁性基板２９の裏面に光２８を入射させるようにしたが、半絶縁性基板２９に反射防止膜を設けてもよい。ｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層１９に替えてｎ型バッファ／クラッド層としてもよい。ｐ型導電領域１０の周辺にｐ型周辺導電領域１１０を設けてもよい。

なお、上記実施の形態１〜１０において、第１導電型としてｎ型を、第２導電型としてｐ型を、第１電極としてｎ電極を、第２電極としてｐ電極を用いた例を示したが、第１導電型としてｐ型を、第２導電型としてｎ型を、第１電極としてｐ電極を、第２電極としてｎ電極を用いてもよい。

導電領域１０の形成は、固相拡散の例を示したが、気相拡散を用いてもよい。
ｎ電極１３、ｐ電極１４の材料としては、ＡｕＺｎ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ，Ｔｉ／Ａｕを用いてもよい。
アバランシェ増倍層４としては、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ超格子、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ超格子としてもよい。
なお上記実施の形態１〜１０において、アバランシェ増倍層４は、電子をより増倍するＡｌ系材料を用いた例を示したが、増倍層側がｐ型の場合、ホールが増倍層に動くため、ホールをより増倍できるＩｎＰ系材料をアバランシェ増倍層４として用いることができる。
電界緩和層５は、特に必要としない場合は省略できるが、バンドギャップが大きい材料が好ましい。ＩｎＰはホール、ＡｌＩｎＡｓは電子のイオン化率が高いため、電子のイオン化率がより高い材料、例えばＡｌＩｎＡｓなどのＡｌ系材料をアバランシェ増倍層４に用いる際には、同じく電子のイオン化率が高いＡｌＩｎＡｓ電界緩和層５を用いれば、動作速度、雑音についてより優れた特性を得ることができる。

光吸収層６については、ｉ型としてもよく、３×１０¹⁶ｃｍ^-3以下のｎ導電型としてもよい。また前記ｉ型、ｎ導電型は光吸収層６の上部のみでもよい。
遷移層７については、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰとしてもよい。
窓層８については、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓとしてもよい。またＦｅをドープした半絶縁性型としてもよい。
コンタクト層９については、非導電型であってもよい。窓層８の導電領域１０とｐ電極１４とが低抵抗でコンタクトできれば省略してもよい。

なお、上記実施の形態１〜１０それぞれの組合せの形態においても上記効果を奏する。

本発明の実施の形態１によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による図１のＡ−Ａ'断面における深さ方向の電界強度分布を表した特性図である。 本発明の実施の形態１による図１のＢ−Ｂ'断面及びＣ−Ｃ'断面における面方向の電界強度分布を表した特性図である。 本発明の実施の形態１による深さ方向におけるキャリア濃度の違いを示した特性図である。 本発明の実施の形態２によるアバランシェフォトダイオードの伝導帯及び価電子帯の層接合部でのエネルギー分布を示した特性図である。 本発明の実施の形態３によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４によるアバランシェフォトダイオードを示す概略構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４によるアバランシェフォトダイオードについて電流および増倍率Ｍと逆バイアス電圧の関係を示した特性図である。 本発明の実施の形態５によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態６によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態７によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態８によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態８によるアバランシェフォトダイオードの受光感度分布を示した特性図である。 本発明の実施の形態９によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態９によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態９によるアバランシェフォトダイオードについて電流および増倍率Ｍと逆バイアス電圧の関係を示した特性図である。 本発明の実施の形態９によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板、２、１９ 第１の半導体層、３ ストッパ層、４ アバランシェ増倍層、５ 電界緩和層、６ 光吸収層、７ 遷移層、８ 第２の半導体層、９ コンタクト層、１０ 第２導電型導電領域、１１ 空乏化領域、１２ 保護膜、１３ 第１電極、１４ 第２電極、１５ 絶縁膜、２３ ブラッグ反射層、２４ 反射調整層、２５ 側面、２６ 溝、２７ 劈開面、２８ 光、 ２９ 半絶縁性基板、３０ とまり孔、１１０ 第２導電型周辺導電領域、１２０ 表面保護膜兼反射防止膜

Claims (6)

1. 第１電極と、これに電気的に接続された第１導電型からなる第１の半導体層を具備する基板とを備え、前記基板には、少なくともアバランシェ増倍層と、光吸収層と、前記光吸収層よりバンドギャップの大きい第２の半導体層とが積層され、前記第２の半導体層内には、第２導電型導電領域が形成され、前記第２導電型導電領域は、第２電極に電気的に接続され、かつ、
   第２導電型導電領域および前記第２導電型導電領域の周囲の第２の半導体層の一部を残し、その外周の基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層が除去されて前記光吸収層の側面が形成され、前記光吸収層は前記アバランシェ増倍層より狭く形成されていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
2. 第１電極と、これに電気的に接続された第１導電型からなる第１の半導体層を具備する基板とを備え、前記基板には、少なくともアバランシェ増倍層と、光吸収層と、前記光吸収層よりバンドギャップの大きい第２の半導体層とが積層され、前記第２の半導体層内には、第２導電型導電領域が形成され、前記第２導電型導電領域は、第２電極に電気的に接続され、かつ、
   第２導電型導電領域および前記第２導電型導電領域の周囲の第２の半導体層の一部を残し、その外周の基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層が除去されて前記光吸収層の側面が形成され、前記側面はアバランシェ増倍層より深い層まで除去されて形成されていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
3. 光吸収層は他の層より狭く形成されて層間に段差が設けられていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のアバランシェフォトダイオード。
4. 第２導電型導電領域の周囲には、さらに第２導電型周辺導電領域が形成されていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のアバランシェフォトダイオード。
5. 側面には保護膜が設けられていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のアバランシェフォトダイオード。
6. 側面より離れた部位の外周の基板上に積層された層に溝が設けられていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のアバランシェフォトダイオード。

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