JP5327892B2 - アバランシ・フォトダイオード - Google Patents

アバランシ・フォトダイオード Download PDF

Info

Publication number
JP5327892B2
JP5327892B2 JP2010197155A JP2010197155A JP5327892B2 JP 5327892 B2 JP5327892 B2 JP 5327892B2 JP 2010197155 A JP2010197155 A JP 2010197155A JP 2010197155 A JP2010197155 A JP 2010197155A JP 5327892 B2 JP5327892 B2 JP 5327892B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type
type electrode
electric field
mesa
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2010197155A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2012054477A (ja
Inventor
忠夫 石橋
精後 安藤
允洋 名田
好史 村本
春喜 横山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NTT Electronics Corp, Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical NTT Electronics Corp
Priority to JP2010197155A priority Critical patent/JP5327892B2/ja
Priority to PCT/JP2011/069866 priority patent/WO2012029896A1/ja
Priority to US13/819,279 priority patent/US8729602B2/en
Priority to EP11821911.2A priority patent/EP2613365B1/en
Priority to CN201180042210.1A priority patent/CN103081129B/zh
Publication of JP2012054477A publication Critical patent/JP2012054477A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5327892B2 publication Critical patent/JP5327892B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/0304Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281Shape of the body
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544Solar cells from Group III-V materials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

本発明は、アバランシ・フォトダイオードのデバイス構造に関するものである。
なだれ増倍形フォトダイオード(アバランシ・フォトダイオード、APD)は、高感度の光受信デバイスとして、長波長帯(1.5ミクロン帯)の光キャリアを使った光通信システムなどに広く導入されている。長波長帯で動作する典型的なAPDデバイスは、InPをなだれ増倍層とするホール注入形であり、通常、InPへのZn熱拡散によって形成するpn接合でなだれ増倍領域を規定し、接合面の周辺部にガードリングを配置した構造を持つ。
一方、高速性とアバランシ過剰ノイズ特性の点で、InPをなだれ増倍層とするホール注入形よりもInAlAsをなだれ増倍層とする電子注入形APDの方が有利とされている。InAlAsはその電子とホール間のイオン化率比がより大きいため、アバランシ過剰雑音が低く、合わせて利得帯域積(GB積)が大きくなるので、InP−APDよりも受信感度に優れる。
だだし、素子製作技術面では、接合周辺のエッジブレークダウンを抑制するための、いわゆる“ガードリング技術”がホール注入形ほどの完成度には達していない。その理由の一つは、ホール注入形で通常用いられる“イオン注入タイプのガードリング構造”を形成することが困難なことにある。
そのため、イオン注入タイプのガードリングに代わる構造が提案されている。意図的なガードリングを作らずになだれ増倍層へのエッジ電界の影響を避ける構造(例えば、非特許文献1、2を参照。)、また、なだれ増倍層の下部に低濃度の埋め込みn電極を設けた構造(例えば、特許文献1を参照。)などが報告されている。
特許4234116号 特開2010−147177号公報
E.Yagyu et al.、IEEE Photon.Tech.Lett.vol.18 No.1、pp.76−78、2006. F.Levine et al.、IEEE Photon.Tech.Lett.vol.18、pp.1898−1900、2006.
非特許文献2はInGaAs/InAlAsのAPD構造についての報告であり、n形基板側になだれ増倍層を配置、上面のp電極側に空乏化するInGaAs光吸収層を配置、その上に広バンドギャップ層とp電極層が配置される。p電極層の形状を反映するエッジ電界は、p電極層、広バンドギャップ層、及び、InGaAs光吸収層内に生じるが、電界上昇がなだれ増倍層には到達しないので、エッジブレークダウンの発生を抑えることができる。しかしながら、この構造は、バイアスを印加した動作時にInGaAs光吸収層が空乏化するので、一定の電位効果が残り、そのために、メサの横寸法を縮小するにつれメサのInGaAs側面(表面)に起因する暗電流が高くなる傾向がある。
特許文献1は、基板側に埋め込みn電極層を配置してアバランシ領域を規定する構成を取り、p形のInGaAs光吸収層を使用可能なため受光感度に優れる。最近、特許文献1の構造を修正することで、より安定にエッジ電界を抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献2を参照。)。
図6は、特許文献2に開示されている反転形APD構造を説明する図である。特許文献2の反転形APDは、基板側にp形、および低不純物濃度のInGaAsの光吸収層(33A、33B)を配置すると共に、なだれ増倍層36とn電極層バッファ層38Aとの間に「電子走行層37B」を設け、APDの内部電界分布を“低(光吸収層33B)−高(なだれ増倍層36)−低(電子走行層37B)”として、エッジ電界をn形電極バッファ層38Aと電子走行層37Bに発生させる様にした構造である。電子走行層37BのバンドギャップをInGaAsよりも十分に大きく取る(例えばInPやInAlAs)ことが可能となるため、n形電極層38Bの形状に依存した電界集中があっても、電子走行層37B部分の電界集中によるブレークダウンの発生を抑制する。同時に、n形電極層38Bとなだれ増倍層36の間に電子走行層37Bを挿入して距離を離すことにより、なだれ増倍層36にエッジ電界が及ぶことがなく、なだれ増倍層36のエッジブレークダウンも抑えることができる。
一般に、低不純物濃度の光吸収層33Bが空乏化する状況(電圧降下が発生)となると、第1メサ101の側面が露出しているので、第1メサ101表面に由来する暗電流が増大しやすくなる。しかし、特許文献2は、反転形APD構造に関して、電子走行層37Bの電界をなだれ増倍層36よりも低下させ、その部分のイオン化率を低減させることを開示するものの、電子走行層37Bの電界をどの様に最適の値に設定すべきか、電子走行層37Bとn形電極バッファ層38Aをどの様な材料を用いていかに構成するかについては明らかにしていない。このため、特許文献2に記載される反転形APD構造は、メサ表面に由来する暗電流を低減することが困難であることや、n形電極バッファ層38Aのトンネル電流が発生するという課題があった。
そこで、本発明は、メサ表面や電極層の形状に由来する、トンネル電流を含む暗電流を低減することができるAPDを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るAPDは、n形電界制御層の総ドナー濃度とp形電界制御層の総アクセプタ濃度とを所定の関係にあるようにすることとした。
具体的には、本発明に係るAPDは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板面上に、p形電極層、p形光吸収層、低不純物濃度の光吸収層、バンドギャップ傾斜層、p形電界制御層、なだれ増倍層、n形電界制御層、及び低不純物濃度の電子走行層の順で積層された第1積層構成からなる第1メサと、積層方向から見て、外周が前記第1メサの外周の内側にあり、前記第1メサの前記電子走行層側の表面上に、n形電極バッファ層、及びn形電極層の順で積層された第2積層構成からなる第2のメサと、を備え、前記n形電界制御層の総ドナー濃度が前記p形電界制御層の総アクセプタ濃度より2×1011〜1×1012/cmの範囲で低いことを特長とする。
n形電界制御層の総ドナー濃度とp形電界制御層の総アクセプタ濃度とを所定の関係にあるようにすることで、印加電圧を上昇させたときにp形電界制御層の外周部が空乏化することを防ぎ、暗電流を低減することができる。従って、本発明は、メサ表面や電極層の形状に由来する暗電流を低減することができるAPDを提供することができる。
本発明に係るAPDは、前記n形電極バッファ層のドナー濃度が2×1016〜1×1017/cmの範囲であることを特長とする。第2メサの外周部にn形電極バッファ層の空乏層が広がり、電界集中が緩和される。このため、n形電極バッファ層に比較的バンドギャップの小さな材料を適用しても、トンネル電流やなだれ電流の発生を抑えることができる。
本発明に係るAPDは、積層方向から見て、前記n形電極層の外周が前記n形電極バッファ層の外周の内側にあることを特長とする。n形電極層が、n形電極バッファ層の内側に配置されるので、n形電極バッファ層の外周部に発生する空乏領域がn形電極層に及ぶことはない。このため、電圧の印加時のエッジ電界の集中が緩和され、エッジブレークダウンやエッジトンネル電流の発生を抑制することができる。
本発明は、メサ表面や電極層の形状に由来する暗電流を低減することができるAPDを提供することができる。
本発明に係るAPDを説明する図である。(a)は上面図、(b)は断面図である。 本発明に係るAPDを説明する図である。 本発明に係るAPDを説明するバンドダイアグラムである。 本発明に係るAPDを説明するバンドダイアグラムである。 本発明に係るAPDを説明する図である。 従来のAPDを説明する図である。
以下、具体的に実施形態を示して本発明を詳細に説明するが、本願の発明は以下の記載に限定して解釈されない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
(実施形態1)
図1は、APD301を説明する素子の模式図である。図1(a)は上面図であり、図1(b)は断面図である。なお、本明細書では、半絶縁性基板1に対し、n電極9側を上側及び積層方向として説明する。
APD301は、半絶縁性基板1と、半絶縁性基板1面上に、p形電極層2、p形光吸収層3A、低不純物濃度の光吸収層3B、バンドギャップ傾斜層4、p形電界制御層5、なだれ増倍層6、n形電界制御層7A、及び低不純物濃度の電子走行層7Bの順で積層された第1積層構成からなる第1メサ101と、積層方向から見て、外周が第1メサ101の外周の内側にあり、第1メサ101の電子走行層7B側の表面上に、n形電極バッファ層8A、及びn形電極層8Bの順で積層された第2積層構成からなる第2のメサ102と、を備え、n形電界制御層7Aの総ドナー濃度がp形電界制御層5の総アクセプタ濃度より2×1011〜1×1012/cmの範囲で低いことを特長とする。さらに、APD301は、n形電極層8Bの上にリング状のn電極9と、第1メサ101と異なる部分のp形電極層2の上にp電極10を備える。APD301は、電子注入形APD素子である。
例えば、半絶縁性基板1はInP、p形電極層2はp−InAlGaAs、p形光吸収層3Aはp形にドーピングしたInGaAs、光吸収層3BはInGaAs、バンドギャップ傾斜層4はバンドギャップを積層方向(上側方向)に徐々に広げたInAlGaAs、p形電界制御層5はp−InAlAs、なだれ増倍層6はInAlAs、n形電界制御層7Aはn−InAlAs、電子走行層7Bは低不純物濃度のInP、n形電極バッファ層8AはInGaAsP、n形電極層8BはInGaAsPである。ここで、n形電極バッファ層8A及びn形電極層8Bに使用するInGaAsPのバンドギャップエネルギーを後述の様に選択エッチング加工の容易さから1eVとする。
APD301を製作するには、例えば、半絶縁性基板1上に、p形電極層2からn形電極層8Bまで順次MO−VPE法などを用いてエピタキシャルを成長する。続いて、エピタキシャル成長させた各層に対してメサ加工を施し、第1メサ101及び第2メサ102を形成する。メサ加工は通常のメサ形のAPDの製作工程と変わらない。例えば、化学エッチングを用いて、上部から順に、n形電極層8Bとn形電極バッファ層8Aから円筒状の第2メサ102を形成する。次に、電子走行層7Bとその下部を順次メサ加工し、矩形状の第1メサ101を形成する。その後、n電極9、及びp電極10を形成し、必要に応じて配線や素子分離などを行う。
図2は、APD301にバイアスを印加した動作状態における、デバイス構造内の空乏化の様子を説明する図である。各層は、電圧印加された動作状態において、破線部12Aで示す部分(p形光吸収層3Aのn形電極層8B側の一部から、光吸収層3B、バンドギャップ傾斜層4、p形電界制御層5、なだれ増倍層6、n形電界制御層7A、電子走行層7B、n形電極バッファ層8Aの半絶縁性基板1側の一部)が空乏化するようにドーピング濃度が調整されている。このため、n電極9とp電極10との間に十分な電圧を印加したとき、第1メサ101のp形電界制御層5とn形電界制御層7Aが空乏化し、第2メサ102の下部(n形電極層8Bの一部)が空乏領域12Bとなる。
ここで、n形電界制御層7Aの総ドナー濃度は、p形電界制御層5の総アクセプタ濃度よりも、2×1011〜1×1012/cmの範囲で相対的に低く調整する。バイアス電圧を上昇させるに従い、初めは、第1メサ101全体にわたり、n形電界制御層7Aとp形電界制御層5の空乏化が進行する。ここで、n形電界制御層7Aの総ドナー濃度が相対的に少ないので、n形電界制御層7Aのドナーがすべてイオン化した時点で、空乏化はn形電極層8B側に広がり、さらに電圧を増大させるとp形電界制御層5が空乏化し、デバイスの活性部は、図3に模式的に示したバンドダイアグラム及び電界プロファイルの状態となる(図2のY1−Y1’断面)。
なだれ増倍層6の両側の層の電界は、n形電界制御層7Aの総ドナー濃度とp形電界制御層5の総アクセプタ濃度との差に応じて段差ができる。例えば、n形電界制御層7Aの総ドナー濃度が、p形電界制御層5の総アクセプタ濃度よりも5×1011/cmだけ低い値に設定すると、この電界強度の段差はおおよそ70kV/cmとなる。
一方、第2メサ102が配置されない第1メサ101の周辺部(フリンジ部)では、電圧の印加に伴いn形電界制御層7Aが空乏化した時点で、p形電界制御層5の空乏化は、ほとんど進行しなくなる。これは、p形電界制御層5の空乏化の進行は、第1メサ101のフリンジ部と第2メサ102との配置で決まるフリンジ容量で支配されるからである。その結果、図2のようにp形電界制御層5は部分的に空乏化し、符号13で示した他の部分にホールが残留する。この状態の(図2のY2−Y2’断面)バンドダイアグラム及び電界プロファイルの状態を図4に模式的に示す。p形電界制御層5のp形光吸収層3A側は中性を保つので、光吸収層(3A,3B)と同電位となり、光吸収層(3A、3B)には電圧がかからない状態となる。その結果、第1メサ101側面の光吸収層(3A,3B)の表面の電位変化が生ずることはなく、少数キャリアの拡散電流成分は残るものの、暗電流を大幅に低減させることができる。
なお、本実施形態において、n形電界制御層7Aの総ドナー濃度をp形電界制御層5の総アクセプタ濃度よりも2×1011〜1×1012/cmの範囲で相対的に低く調整するが、その数値範囲の設定の理由は以下による。
濃度差の下限(2×1011)については、基本的には、図2の13部分に安定にp形中性層が残留(=ホールが存在)する条件に基づく。通常、p形電界制御層5のバルクアクセプタ濃度は、ドーピング制御の容易さを考慮し、おおむね2×1017〜8×1017/cmの濃度にすることが常である。それらの濃度におけるp形中性層中のホールの空間的ボケの程度はデバイスクリーニング長(Debye Screening Length)を目安にとることができ、おおよそ、100A〜50A(Aはオングストローム)である。この100A〜50Aの厚さに対応するシートアプセプタ濃度は、2×1011〜4×1011/cmと計算される。すなわち、必要最小限の濃度差は2×1011/cmと見積もることができる。
濃度差の上限はいくつかの要因が関与するが、n形電極バッファ層8A中のトンネル電流が抑制されていることが必要条件である。すなわち、n形電極バッファ層8Aに及ぶ電界集中が最善に設定されていても、少なくとも、空乏領域12Aで示した活性部分においてInGaAsP中の電界が、トンネル電流発生の閾値を超えないことが条件となる。
通常のアバランシ・フォトダイオードの電界プロファイル設計においては、最大の動作電圧において、光吸収層(3B)の電界は150kV/cm付近に設定する。その様な状況では、電子走行層7Bとn形電極バッファ層8Aとの界面では、150kV/cmに上記の濃度差に相当する電界が加算されることになる。電子走行層7Bが均一の電界プロファイルを持つとして、1eVのInGaAsPのトンネル電流発生の閾値は約300kV/cmであるから、n形電界制御層7Aの総ドナー濃度の減少分が加算されても300kV/cmを越えない様にする必要がある。結局、300−150=150kV/cmの電界差を与えるn形電界制御層7Aの総ドナー濃度を低下させる際の、濃度差の上限は、約1×1012/cmと算出される。
n形電極バッファ層8Aのドナー濃度は、2×1016〜1×1017/cmの範囲で調整する。ドナー濃度をこの範囲に調整することで、n形電極バッファ層8Aの空乏化領域が積層方向におおよそ0.1〜0.2umの間に収まる。ここで、n形電極バッファ層8Aの濃度の大小は、p形電界制御層5の空乏化状態に大きな影響を与えるものではない。先に述べたフリンジ容量が増大することはないからである。
n形電極バッファ層8Aのドナー濃度を上記範囲に設定することで、「メサの加工精度が向上し、安定したデバイス製作が可能」という効果を得ることができる。その理由は次の通りである。n形電極バッファ層8Aのドナー濃度を上記範囲に設定すると、n形電極バッファ層8Aのフリンジの空乏化は図2の符号12部分に広がる。この結果、エッジ電界の集中が緩和され、n形電極バッファ層8Aに、InPに対する選択エッチング加工が容易となる、バンドギャップが小さいInGaAsP材料を適用してもトンネル電流やなだれ電流の発生を抑えることができる。
つまり、n形電極バッファ層8Aのドナー濃度を上記範囲に設定すると、n形電極バッファ層8Aの材料に、電子走行層7Bとのバンドギャップ差が大きい材料ではなく、電子走行層7Bとの化学エッチングの選択性が大きい材料を適用することができる。例えば、APD301の場合、電子走行層7BのInPとのバンドギャップ差は小さいが化学エッチングの選択性が大きいInGaAsPをn形電極バッファ層8Aに適用している。このため、APD301は、第2メサ102の加工精度が向上しており、安定したデバイス製作が可能である。
(実施形態2)
図5は、APD302を説明する素子の模式図(断面図)である。APD302と図1及び図2のAPD301との違いは、APD302がn形電極層8Bの代替としてn形電極層28Bを備えている点である。n形電極層28Bは、n形電極層8Bと形状が異なる。すなわち、積層方向から見て、n形電極層28Bの外周はn形電極バッファ層8Aの外周の内側にある。
APD302の製作は、APD301と同様であるが、n形電極層28Bとn形電極バッファ層8Aのメサをそれらの寸法を変えて別個に行う。すなわち、まず、n形電極層28Bの化学エッチングを行うが、n形電極バッファ層8Aのエッチング速度が遅くなるように、n形電極層28Bの組成を変える。例えば、n形電極バッファ層8Aのバンドギャップを1.2eVとし、n形電極層28Bのバンドギャップを0.9eVとすることで十分なエッチング選択性が確保される。この選択的な化学エッチングを施すことにより、n形電極層28Bを精度良くn形電極バッファ層8Aの内側に配置することができる。第1メサ101の形成の手順はAPD301と同様である。
図5の符号22Bは、n形電極バッファ層8Aのフリンジ部分に発生する空乏領域である。APD302は、n形電極層28Bがn形電極バッファ層8Aの十分内側に配置されるので、空乏領域22Bがn形電極層28Bに及ぶことはない。そのため、電圧の印加時のエッジ電界の集中が緩和され、エッジブレークダウンやエッジトンネル電流の発生を抑制することができる。ここで、n形電極バッファ層8Aの空乏化の形状が変わっても、p形電界制御層5の空乏化の様子には大きな変化はない。従って、APD301と同様にp形電界制御層5の光吸収層(3A、3B)側は中性状態を保つことができ、光吸収層(3A、3B)に電圧がかからない状態を保つことができる。
従って、APD302は、第1メサ101側面の光吸収層(3A,3B)の表面の電位変化が生ずることはなく、少数キャリアの拡散電流成分は残るものの、暗電流を大幅に低減させることができる。
(他の実施形態)
実施形態1及び2において、InAlAsをなだれ増倍層、InGaAsを光吸収層とするAPD(301、302)の例を述べたが、半導体材料の種類を制限するものではない。APD(301、302)で説明した構造は、他の半導体材料の組み合わせによるAPD素子においても同様に適用することができる。
1、31:半絶縁性基板
2、32:p形電極層
3A、33A:p形光吸収層
3B、33B:光吸収層
4、34:バンドギャップ傾斜層
5、35:p形電界制御層
6、36:なだれ増倍層
7A、37A:n形電界制御層
7B、37B:電子走行層
8A、38A:n形電極バッファ層
8B、28B、38B:n形電極層
9、39:n電極
10、40:p電極
12A、12B、22B:空乏領域
13:ホールが残留した部分
101:第1メサ
102:第2メサ
300、301、302:APD

Claims (3)

  1. 半絶縁性基板と、
    前記半絶縁性基板面上に、p形電極層、p形光吸収層、低不純物濃度の光吸収層、バンドギャップ傾斜層、p形電界制御層、なだれ増倍層、n形電界制御層、及び低不純物濃度の電子走行層の順で積層された第1積層構成からなる第1メサと、
    積層方向から見て、外周が前記第1メサの外周の内側にあり、前記第1メサの前記電子走行層側の表面上に、n形電極バッファ層、及びn形電極層の順で積層された第2積層構成からなる第2のメサと、
    を備え、
    前記n形電界制御層の総ドナー濃度が前記p形電界制御層の総アクセプタ濃度より2×1011〜1×1012/cmの範囲で低いことを特長とするアバランシ・フォトダイオード。
  2. 前記n形電極バッファ層のドナー濃度が2×1016〜1×1017/cmの範囲であることを特長とする請求項1に記載のアバランシ・フォトダイオード。
  3. 積層方向から見て、前記n形電極層の外周が前記n形電極バッファ層の外周の内側にあることを特長とする請求項1又は2に記載のアバランシ・フォトダイオード。
JP2010197155A 2010-09-02 2010-09-02 アバランシ・フォトダイオード Active JP5327892B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010197155A JP5327892B2 (ja) 2010-09-02 2010-09-02 アバランシ・フォトダイオード
PCT/JP2011/069866 WO2012029896A1 (ja) 2010-09-02 2011-09-01 アバランシ・フォトダイオード
US13/819,279 US8729602B2 (en) 2010-09-02 2011-09-01 Avalanche photodiode
EP11821911.2A EP2613365B1 (en) 2010-09-02 2011-09-01 Avalanche photodiode
CN201180042210.1A CN103081129B (zh) 2010-09-02 2011-09-01 雪崩光电二极管

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010197155A JP5327892B2 (ja) 2010-09-02 2010-09-02 アバランシ・フォトダイオード

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012054477A JP2012054477A (ja) 2012-03-15
JP5327892B2 true JP5327892B2 (ja) 2013-10-30

Family

ID=45772971

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010197155A Active JP5327892B2 (ja) 2010-09-02 2010-09-02 アバランシ・フォトダイオード

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8729602B2 (ja)
EP (1) EP2613365B1 (ja)
JP (1) JP5327892B2 (ja)
CN (1) CN103081129B (ja)
WO (1) WO2012029896A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9406830B1 (en) 2015-03-23 2016-08-02 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor light-receiving device

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5631668B2 (ja) * 2010-09-02 2014-11-26 Nttエレクトロニクス株式会社 アバランシ・フォトダイオード
CN104282793A (zh) * 2014-09-30 2015-01-14 中山大学 一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法
US9478689B2 (en) * 2014-12-10 2016-10-25 Sifotonics Technologies Co., Ltd. High-speed germanium on silicon avalanche photodiode
US9466751B1 (en) * 2016-03-04 2016-10-11 National Central University Avalanche photodiode having electric-field confinement by mesas
CN109478586B (zh) * 2016-07-05 2022-06-21 苏州乐琻半导体有限公司 半导体元件
US11056604B1 (en) * 2020-02-18 2021-07-06 National Central University Photodiode of avalanche breakdown having mixed composite charge layer
CN112531068A (zh) * 2020-12-03 2021-03-19 北京邮电大学 一种集成微透镜结构的雪崩光电二极管

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH036871A (ja) * 1989-06-02 1991-01-14 Mitsubishi Electric Corp 光検出素子
JPH04234116A (ja) 1990-12-28 1992-08-21 Sony Corp ドライエッチング方法
US6359322B1 (en) * 1999-04-15 2002-03-19 Georgia Tech Research Corporation Avalanche photodiode having edge breakdown suppression
JP4127815B2 (ja) * 2003-11-10 2008-07-30 日本電信電話株式会社 アバランシェフォトダイオード
US7560751B2 (en) * 2004-02-13 2009-07-14 Nec Corporation Semiconductor photo-detecting element
JP4234116B2 (ja) 2005-06-27 2009-03-04 Nttエレクトロニクス株式会社 アバランシ・フォトダイオード
JP5282350B2 (ja) * 2006-03-13 2013-09-04 日本電気株式会社 半導体光素子
JP2009252769A (ja) * 2008-04-01 2009-10-29 Nec Corp 半導体受光素子
JP2010135360A (ja) * 2008-12-02 2010-06-17 Mitsubishi Electric Corp アバランシェフォトダイオード
JP4728386B2 (ja) * 2008-12-17 2011-07-20 Nttエレクトロニクス株式会社 アバランシ・フォトダイオード
CN102292833B (zh) * 2009-09-07 2015-07-29 住友电气工业株式会社 Iii-v族化合物半导体受光元件

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9406830B1 (en) 2015-03-23 2016-08-02 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor light-receiving device

Also Published As

Publication number Publication date
EP2613365A4 (en) 2018-02-14
US8729602B2 (en) 2014-05-20
JP2012054477A (ja) 2012-03-15
EP2613365B1 (en) 2019-06-26
CN103081129A (zh) 2013-05-01
EP2613365A1 (en) 2013-07-10
CN103081129B (zh) 2015-07-22
WO2012029896A1 (ja) 2012-03-08
US20130154045A1 (en) 2013-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5327892B2 (ja) アバランシ・フォトダイオード
JP4728386B2 (ja) アバランシ・フォトダイオード
US10297705B2 (en) Avalanche photodiode
JP5015494B2 (ja) 半導体受光素子
JP2010135360A (ja) アバランシェフォトダイオード
JP5631668B2 (ja) アバランシ・フォトダイオード
JP2012502466A (ja) ナノ構造のフォトダイオード
JP5433948B2 (ja) 半導体受光素子
US20080290369A1 (en) Semiconductor light-receiving device and manufacturing method thereof
US7855400B2 (en) Semiconductor light detecting element and method for manufacturing the semiconductor light detecting element
JP5649219B2 (ja) 半導体装置
JP5497686B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JP2016213362A (ja) アバランシェフォトダイオード
JP2009252769A (ja) 半導体受光素子
JP7024918B1 (ja) アバランシェフォトダイオード
US10079324B2 (en) Semiconductor light-receiving device
CN111066157A (zh) 半导体受光元件及其制造方法
TWI731630B (zh) 半導體受光元件以及半導體受光元件製造方法
JP5303793B2 (ja) フォトダイオード
JP4191564B2 (ja) アバランシ・フォトダイオード
JP5992867B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JP4137826B2 (ja) 半導体受光素子
JP2016213251A (ja) 受光素子
JPH05175541A (ja) 半導体受光装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20121112

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130709

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130718

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5327892

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250