JP5497686B2

JP5497686B2 - アバランシェフォトダイオード

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Publication number: JP5497686B2
Application number: JP2011111588A
Authority: JP
Inventors: 允洋名田; 好史村本; 聡児玉; 直輝重川; 春喜横山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2031-05-18
Also published as: JP2012243907A

Description

本発明は、アバランシェ現象を利用したアバランシェフォトダイオードに関する。

受光素子の一つであるアバランシェフォトダイオードは、アバランシェ現象を利用することで、光電変換した電子を増幅する機能を備えたフォトダイオードである。アバランシェ現象は、生成された電子ならびに正孔が、電圧により加速されて格子位置原子に衝突し、この衝突により二次電子ならびに正孔が生じ、生じた二次電子および正孔がさらに電圧で加速され、また格子原子と衝突して電子正孔対を生むことが連鎖的に発生する現象である。

アバランシェフォトダイオードでは、光吸収層にバンドギャップ以上のエネルギーを有する波長の光を入射することで生成した電子ならびに正孔を、上述したアバランシェ現象により倍増させる。アバランシェフォトダイオードは、素子自体が電流の増幅機能を有している。一般的なフォトダイオードは、光電変換の効率は１００％が限界であるのに対し、アバランシェフォトダイオードは、アバランシェ効果により電子または正孔を増倍させるため、１００％を大きく超える効率が可能である。

ところで、光通信用に用いられるアバランシェフォトダイオードは、通信用の波長帯である１．５５μｍや１．３μｍの光信号を電気信号に効率よく変換するために、光吸収層にはＩｎＧａＡｓが用いられる。しかしながら、アバランシェ増倍を起こす高電界状態では、バンドギャップがあまり大きくないＩｎＧａＡｓの層ではリーク電流が増大してしまう。このため、よりバンドギャップの大きな材料であるＩｎＰやＩｎＡｌＡｓを増倍層とし、素子の動作時には光吸収層の電界は低く、増倍層のみが高電界となるＳＡＭ構造（非特許文献１参照）が、一般的に用いられている。

また、電子および正孔が衝突イオン化を引き起こすイオン化率はお互いに異なり、材料によってイオン化率の比も変わるため、アバランシェフォトダイオードでは、イオン化率の大きなキャリアを光吸収層から増倍層に注入する構造としている。例えば、ＩｎＰを増倍層に用いる構造では、正孔のイオン化率が大きいため、一般的には正孔注入型となる。また、ＩｎＡｌＡｓを増倍層に用いる構造では、電子のイオン化率が大きいため電子注入型が一般的となる。

ところで、一般的なアバランシェフォトダイオードは、電極金属のコンタクト層を選択拡散やイオン注入による不純物ドーピングによって作製し、電圧印加時に空間的に電界の高くなる領域を規定する（非特許文献２，非特許文献３参照）。この構成では、電圧印加時に、選択ドーピング領域の構造に依存して局所的に電界が高くなり、ブレークダウンに至る場合が発生する。これは、いわゆる「エッジブレークダウン」と呼ばれる現象である。エッジブレークダウンが生じると、アバランシェフォトダイオードとしての正常な動作は不可能になる。

このエッジブレークダウンの抑制のため、いわゆる「ガードリング技術」が用いられる。しかしながら、適切なガードリング構造を形成するためには、高度な選択ドーピングの技術が必要であり、安定的に適切なガードリング構造を作製することはあまり容易ではない。

これに対し、アバランシェフォトダイオードの形状を下層から上層にかけて徐々に細くしていく、あるいは上層のコンタクト層を小さいメサ形状にすることによって、意図的なガードリングを必要としない構造が提案されている。一方、最近では、光吸収層をp型光吸収層とアンドープ光吸収層の二層構造とし、光吸収層厚を厚くしながらも、広帯域が可能な、いわゆるＭＩＣ構造が提案されている（非特許文献４参照）。

ところで、一般的なアバランシェフォトダイオードでは、素子のアクセス抵抗を低減する為、基板側のコンタクト層として一般的に高濃度ドープが可能であり、かつキャリア移動度の高いｎ型半導体とし、上層のコンタクト層としてｐ型コンタクト層を用いる。しかしＭＩＣ構造を用いる場合、ｐ型コンタクト層とｐ型光吸収層が隣接するため、素子内部の空間的な電界分布は、ｐ型コンタクト層の形状では規定されず、ｐ型光吸収層によって規定されてしまう。結果として、上層のコンタクト層を小さく加工することによる、素子内部の電界分布の規定は不可能になる。

このため最近では、基板の側にｐ型のコンタクト層を配置し、この上に光吸収層，増倍層，ｎ型のコンタクト層を配置するいわゆる反転型アバランシェフォトダイオードが提案され（特許文献１参照）、多くの研究が成されている。特許文献１の技術では、半絶縁性のＩｎＰ基板上にｐ型のコンタクト層を配置し、コンタクト層の上に吸収層、増倍層、電界バッファ層、ｎ型コンタクト層を配置している。

反転型アバランシェフォトダイオードによれば、例えば、ｎ型のコンタクト層が上層にあるので、この層を下層より面積の小さい状態とすることで、上述した選択ドーピングと同様の効果が得られる。このように、反転型とすることで、ガードリング作製のための、選択拡散やイオン注入などの選択ドーピングの技術を必要とせず、結晶成長とエッチングのみによって素子内部の電界分布を規定する構造が構成できる。

また、特許文献１では、電界バッファ層により増倍層とｎ型コンタクト層を隔離することによっても、エッジブレークダウンを抑制している。また、この技術においては、ｐ型のコンタクト層の側に光吸収層を配置するので、ｐ型の光吸収層を組み込むＭＩＣ構造とすることが可能である（非特許文献４参照）。

特開２０１０−１４７１７７号公報

N. Susa et al. , "Characteristics in InGaAs/InP Avalanche Photodiodes with Separated Absorption and Multiplication Regions",IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, vol. QE-17, NO.2, pp.243-250, 1981. E.Ishimura et al. , "Degradation Mode Analysis on Highly Reliable Guardring-Free Planar InAlAs Avalanche Photodiodes",JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol.25, no.12, pp.3686-3693, 2007. Y. Hirota, Y. Muramoto, T. Takeshita, T. Ito, H. Ito,S. Ando and T. Ishibashi, "Reliable non-Zn-diffused InP/InGaAs avalanche photodiode with buried n-InP layer operated by electron injection mode", ELECTRONICS LETTERS, Vol.40, No.21, 2004. Y. Muramoto and T. Ishibashi, "InP/InGaAs pin photodiode structure maximising bandwidth and efficiency",ELECTRONICS LETTERS, Vol.39, No.24, 2003. Y. Odaa, N. Watanabeb, M. Uchidab, M. Satoa, H. Yokoyamaa, T. Kobayashi, "Suppression of hydrogen passivation in carbon-doped GaAsSb grown by MOCVD", Journal of Crystal Growth, vol.261, pp.393-397, 2004.

以上に説明したように、反転型のアバランシェフォトダイオードによれば、選択ドーピングの技術を必要とせずに安定に動作させることができ、また光吸収層としてＭＩＣ構造を導入できるなど、様々な利点や機能を得ることが可能となる。しかしながら、反転型の構造では、ｐ型コンタクト層が基板側に存在し、この上に配置する光吸収層などのメサ構造以外の領域に電極を配置するため、正孔がｐ型コンタクト層内で横方向（層平面方向）に移動する必要がある。しかしながら、一般的にｐ型半導体は正孔の移動度が小さく、また高濃度ドーピングは困難であるため、ｐ型コンタクト層における抵抗が非常に高くなる。結果として、アバランシェフォトダイオードのＣＲ時定数制限により広帯域動作が困難になり、高速アバランシェフォトダイオードの作製が困難になるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、反転型のアバランシェフォトダイオードにおいて、ｐ型コンタクト層の抵抗を低減し、より広帯域な特性が実現できるようにすることを目的とする。

本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、アンチモンを含むｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板の上に形成されたｐ型コンタクト層と、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層の上に形成された光吸収層と、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて光吸収層の上に形成された電界制御層と、アンドープの半導体から構成されて電界制御層の上に形成された増倍層と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層の上に形成されたｎ型コンタクト層と、ｐ型コンタクト層に形成されたｐ電極と、ｎ型コンタクト層に形成されたｎ電極とを少なくとも備え、光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有し、ｎ型コンタクト層，増倍層，および電界制御層は、光吸収層より大きなバンドギャップエネルギーを有し、ｐ型コンタクト層は、炭素を不純物として導入することでｐ型とされ、光吸収層は、ｐ型コンタクト層よりも不純物濃度が低い状態とされている。

上記アバランシェフォトダイオードにおいて、ｐ型コンタクト層は、基板から離れて光吸収層に近づくほど不純物濃度が低い状態に形成されていてもよい。また、ｐ型コンタクト層は、アンチモンに加えてアルミニウムを含んで構成された化合物ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されていてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、アンチモンを含み、炭素をドーパントとすることでｐ型としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からｐ型コンタクト層を構成し、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から光吸収層を構成したので、反転型のアバランシェフォトダイオードにおいて、ｐ型コンタクト層の抵抗を低減し、より広帯域な特性が実現できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図３は、実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードのバンドラインナップを示すバンド図である。図４は、アバランシェフォトダイオードの利得帯域特性の計算結果を示す特性図である。図５は、本発明の実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図６は、実施の形態３のアバランシェフォトダイオードにおけるｐ型コンタクト層５０２の傾斜ドーピングによる、光吸収層２０３との界面側でのドーピング濃度と走行帯域との関係の計算結果を示す特性図である。図７は、本発明の実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図８は、実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードのバンドラインナップを示すバンド図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

[実施の形態１]
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。

このアバランシェフォトダイオードは、例えば、鉄をドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰからなる基板１０１と、アンチモン（Ｓｂ）を含むｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板１０１の上に形成されたｐ型コンタクト層１０２と、Ｓｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層１０２の上に形成された光吸収層１０３とを備える。

また、実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードは、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて光吸収層１０３の上に形成された電界制御層１０４と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて電界制御層１０４の上に形成された増倍層１０５と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層１０５の上に形成されたｎ型コンタクト層１０６とを備える。また、ｎ型コンタクト層１０６には、ｎ電極１０７が形成され、ｐ型コンタクト層１０２には、ｐ電極１０８が形成されている。

また、実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層１０３は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有し、ｎ型コンタクト層１０６，増倍層１０５，および電界制御層１０４は、光吸収層１０３より大きなバンドギャップエネルギーを有するものとされている。加えて、ｐ型コンタクト層１０２は、炭素（Ｃ）を不純物として導入することでｐ型とされている。なお、光吸収層１０３は、ｐ型コンタクト層１０２よりも不純物濃度が低い状態とされている。光吸収層１０３は、例えば、アンドープとされていればよい。

例えば、ｐ型コンタクト層１０２は、不純物として炭素が導入されたｐ型のＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5から構成されていればよい。また、光吸収層１０３は、アンドープのＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5より構成されていればよい。このように、ｐ型コンタクト層１０２を光吸収層と同じ化合物半導体から構成することで、後述するように高感度でありながら走行帯域を広帯域化することが可能になるが、必須の構成ではない。また、電界制御層１０４は、ｐ型としたＩｎＡｌＡｓから構成されていればよい。また、増倍層１０５は、アンドープのＩｎＡｌＡｓから構成されていればよい。また、ｎ型コンタクト層１０６は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。

なお、光吸収層１０３，電界制御層１０４，増倍層１０５，およびｎ型コンタクト層１０６は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、よく知られたメサ構造とされている。

ここで、実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１０１上に、炭素を不純物としてドーピングしたｐ型のＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5（ｐ型コンタクト層１０２）、アンドープのＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5（光吸収層１０３）、Ｚｎを不純物としてドーピングしたｐ型のＩｎＡｌＡｓ（電界制御層１０４）、アンドープのＩｎＡｌＡｓ（増倍層１０５）、およびＳｉを不純物としてドーピングしたｎ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｎ型コンタクト層１０６）をエピタキシャル成長により順次堆積する。これらは、よく知られた有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により形成すればよい。

次に、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの層の上に、ｎ電極１０７を形成する。例えば、ｎ電極１０７となる領域に開口部を備えるレジストマスクパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法により、チタン層／白金層／金層の３層積層膜を形成する。この後、レジストマスクパターンを除去すれば、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの層（ｎ型コンタクト層１０６）にオーミック接続するｎ電極１０７が形成できる。これは、いわゆるリフトオフ法と呼ばれる製造方法である。

次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（ウエットエッチング）により、上述したアンドープのＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5，ｐ型のＩｎＡｌＡｓ，アンドープのＩｎＡｌＡｓ，およびｎ型のＩｎＧａＡｓＰの層をパターニングし、所望の形状（メサ形状）とした光吸収層１０３，電界制御層１０４，増倍層１０５，ｎ型コンタクト層１０６を形成する。この後、上記パターニングにより露出したｐ型コンタクト層１０２の上に、ｐ電極１０８を形成する。ｐ電極１０８は、チタン層／白金層／金層の３層構造とする。ｎ電極１０７と同様に、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法とによりｐ電極１０８を形成すればよい。

上述した実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードは、まず、炭素をドーパントしたＳｂを含むｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（例えばＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5）からｐ型コンタクト層１０２を構成しているので、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と比較して、より高濃度にｐ型ドーピングが行える。一般的なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に対し、ｐ型の高濃度のドーピングは困難であるが、Ｖ族元素としてＳｂを用いた化合物半導体に対してドーパントとして炭素を用いた場合、高濃度のｐドーピングが可能であることが知られている（非特許文献５参照）。このため、ｐ型コンタクト層１０２の抵抗を低減することができ、素子全体の抵抗が低減でき、ＣＲ帯域を拡大することができる。

また、光吸収層１０３を、Ｓｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5）から構成したので、まず、バンドギャップはＩｎＧａＡｓなどと同じであるが、伝導帯および価電子帯のエネルギー位置をより高い状態とすることができる。このため、光吸収層１０３の上に形成されるよりバンドギャップの大きい電界制御層１０４に対し、伝導帯のオフセットは小さくなり、価電子帯のオフセットは大きくなる。

この構造では、まず、光吸収層１０３の伝導帯端と電界制御層１０４の伝導帯端との差が小さくなるので、光吸収層１０３から増倍層１０５に移動する電子にとっては、バリアが小さくなったことになり、通過しやすい状態となる。また、電界制御層１０４の価電子帯端から見て光吸収層１０３の価電子帯端がより高いエネルギー状態になるので、増倍層１０５から光吸収層１０３に移動する正孔にとっては、光吸収層１０３と電界制御層１０４とのヘテロ界面で加速されることになる。

また、一般的なアバランシェフォトダイオードにおいては、電圧印加に伴って増倍層の電界強度が高くなると共に、光吸収層の電界強度も高くなる。従来より光吸収層として用いられてきたＩｎＧａＡｓは、電子の有効質量が小さいため、アバランシェフォトダイオードが高増倍率で動作するに従って、ＩｎＧａＡｓの電界強度も強くなり、トンネル電流が生じやすい状態であった。これを避けるために、ＩｎＧａＡｓから光吸収層を構成しているアバランシェフォトダイオードは、オン電圧を高電圧に設定することによって、増倍層の電界強度が高い状態にあっても、ＩｎＧａＡｓの電界強度は小さくなるように設計されてきた。

これに対し、ＧａＡｓＳｂは、ＩｎＧａＡｓと比較して電子有効質量が大きく、トンネル電流が生じづらい。言い換えると、Ｓｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、アンドープとする光吸収層としてよりブレークダウンしづらい材料であるため、オン電圧をより低電圧側に設定することができる。同時に、ｐ型としている電界制御層１０４のドーピング濃度に一定の揺らぎがあっても、アンドープとしている光吸収層１０３がブレークダウンしづらい。この結果、ウエハ上に多数の素子を同時に形成している中でドーピング濃度に一定のバラツキが生じても、これら素子を不良とすることなく用いることができるので、ウエハレベルでの歩留まりを向上させることができる。

これらの結果、実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードによれば、素子全体の抵抗が低減でき、ＣＲ帯域を拡大することができる上に、より高速に動作する状態が容易に得られるようになる。このように、本実施の形態によれば、基板の側をｐ型とする反転型のアバランシェフォトダイオードにおいて、ｐ型コンタクト層の抵抗を低減し、より広帯域な特性が実現できるようになる。

[実施の形態２]
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本発明の実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図２では、断面を模式的に示している。

このアバランシェフォトダイオードは、例えば、鉄をドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰからなる基板２０１と、Ｓｂを含むｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板２０１の上に形成されたｐ型コンタクト層２０２と、Ｓｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層２０２の上に形成された光吸収層２０３とを備える。

また、実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードは、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて光吸収層２０３の上に形成された第１電界制御層２０４と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて第１電界制御層２０４の上に形成された増倍層２０５と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層２０５の上に形成された第２電界制御層２０６と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて第２電界制御層２０６の上に形成された電子走行層２０７とを備える。

また、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて電子走行層２０７より小さい面積で電子走行層２０７の上に形成されたｎ型コンタクト層２０８を備える。また、ｎ型コンタクト層２０８には、ｎ電極２０９が形成され、ｐ型コンタクト層２０２には、ｐ電極２１０が形成されている。

また、実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層２０３は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有し、ｎ型コンタクト層２０８，第１電界制御層２０４，増倍層２０５，第２電界制御層２０６，および電子走行層２０７は、光吸収層２０３より大きなバンドギャップエネルギーを有するものとされている。また、ｐ型コンタクト層２０２は、炭素を不純物として導入することでｐ型とされている。また、光吸収層２０３は、アンドープとされている。

例えば、ｐ型コンタクト層２０２は、不純物として炭素が１．０×１０²⁰ｃｍ^-3程度導入されたｐ型のＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5から構成されていればよい。また、光吸収層２０３は、アンドープのＧａ_0.5Ａｓ_0.5Ｓｂより構成されていればよい。また、第１電界制御層２０４は、ｐ型としたＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓから構成されていればよい。また、増倍層２０５は、アンドープのＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓから構成されていればよい。第２電界制御層２０６は、ｎ型としたＩｎＰから構成されていればよい。また、電子走行層２０７は、アンドープのＩｎＰから構成されていればよい。また、ｎ型コンタクト層２０８は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。

なお、光吸収層２０３，第１電界制御層２０４，増倍層２０５，第２電界制御層２０６および電子走行層２０７は、所望とする形状にパターニングされ、メサ構造とされている。加えて、ｎ型コンタクト層２０８は、電子走行層２０７より小さい面積のメサ構造とされている。

ここで、実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードの製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板２０１上に、炭素を不純物としてドーピングしたｐ型のＧａ_0.5Ａｓ_0.5Ｓｂ（ｐ型コンタクト層２０２）、アンドープのＧａ_0.5Ａｓ_0.5Ｓｂ（光吸収層２０３）、Ｚｎを不純物としてドーピングしたｐ型のＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ（第１電界制御層２０４）、アンドープのＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ（増倍層２０５）、Ｓｉを不純物としてドーピングしたｎ型のＩｎＰ（第２電界制御層２０６）、アンドープのＩｎＰ（電子走行層２０７），およびＳｉを不純物としてドーピングしたｎ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｎ型コンタクト層２０８）をエピタキシャル成長により順次堆積する。これらは、よく知られたＭＯＶＰＥ法により形成すればよい。

次に、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの層の上に、ｎ電極２０９を形成する。例えば、ｎ電極２０９となる領域に開口部を備えるレジストマスクパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法により、チタン層／白金層／金層の３層積層膜を形成する。この後、レジストマスクパターンを除去（リフトオフ）すれば、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの層（ｎ型コンタクト層２０８）にオーミック接続するｎ電極２０９が形成できる。

次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（ウエットエッチング）により、上述したｎ型のＩｎＧａＡｓＰをパターニングして所望の形状（メサ形状）としたｎ型コンタクト層２０８を形成する。次に、アンドープのＧａ_0.5Ａｓ_0.5Ｓｂ、ｐ型のＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ、アンドープのＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ、ｎ型のＩｎＰ、およびアンドープのＩｎＰ、の層をパターニングし、ｎ型コンタクト層２０８より大きいメサ形状とし、光吸収層２０３，第１電界制御層２０４，増倍層２０５，第２電界制御層２０６，および電子走行層２０７を形成する。この後、上記パターニングにより露出したｐ型コンタクト層２０２の上に、ｐ電極２１０を形成する。ｐ電極２１０は、チタン層／白金層／金層の３層構造とする。ｎ電極２０９と同様に、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法とによりｐ電極２１０を形成すればよい。

上述した実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードによれば、まず、前述した実施の形態１と同様に、ｐ型コンタクト層２０２が、１．０×１０²⁰ｃｍ^-3程度の高濃度に炭素がドーピングされているところに特徴がある。

また、ｐ型コンタクト層２０２は、光吸収層２０３と同じ材料から構成し、通信に用いる１．５５μｍまたは１．３μｍの入射光に対して感度を有するものとしている。ここで、このように構成したｐ型コンタクト層２０２内において、入射光により生じた電子／正孔対の輸送特性は、少数キャリアである電子の拡散速度によって支配されている。一方、同じ材料でアンドープとした光吸収層２０３においては、入射光により生じた電子／正孔対の輸送特性は、正孔のドリフト速度により支配されている。

このように、実施の形態２では、ｐ型コンタクト層２０２と光吸収層２０３との２種類の吸収層でのキャリアの輸送機構は、各々の層で独立であり、互いに影響しない。このため、実施の形態２における２層構造とした吸収層の構造によって、吸収層厚を大きくした上でキャリアの走行時間が低減でき、結果として高感度でありながら走行帯域を広帯域化することが可能になる。これは、ＭＩＣ構造として知られている（非特許文献４参照）。

また、実施の形態２においても、ＩｎＧａＡｓなどと比較して電子有効質量が小さく、トンネル電流が生じ難い、言い換えると、アンドープとする光吸収層としてよりブレークダウンしづらい材料であるＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5を用いているため、オン電圧をより低電圧側に設定することができる。また、実施の形態１と同様に、ウエハ上に多数の素子を同時に形成している中でドーピング濃度に一定のバラツキが生じても、ウエハレベルでの歩留まりを向上させることができる。

さらに、図３のバンド図に示すように、ＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5は、伝導帯および価電子帯のエネルギー位置がともに高く、光吸収層２０３と第１電界制御層２０４とのヘテロ界面では、伝導帯では約０．１６ｅＶ、価電子帯では約０．５４ｅＶのバンドオフセットが生じる。これは、アバランシェフォトダイオードとして、一般的なＩｎＧａＡｓより吸収層を構成した場合のバンドオフセットと比較して、伝導帯においては、光吸収層２０３から増倍層２０５へと電子（黒丸）が移動する際にバリアが小さくなる。また、正孔（白丸）は、増倍層２０５から光吸収層２０３へ移動する際には、光吸収層２０３に向かって正孔が加速されることになる。なお、図３では、２点鎖線で一般的なＩｎＧａＡｓより吸収層を構成した場合のバンドオフセットを示している。

従って、増倍層２０５をＩｎＡｌＡｓとした、電子注入型のアバランシェフォトダイオードにおいては、ＩｎＧａＡｓよりもＧａＡｓＳｂから吸収層を構成した方が都合がよく、ＩｎＧａＡｓより吸収層を構成した場合と比較して、１Ｖ程度、オン電圧が低減できる。

このように、実施の形態２においては、ｐ型電極層を基板側に配置する、反転型アバランシェフォトダイオードにおいて、ｐ型コンタクト層２０２の材料をＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5とし、ドーパントを炭素とすることで、一般的なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いた場合と比較して高濃度のｐ型ドーピングを行い、ｐ型コンタクト層の抵抗を低減することで素子全体の抵抗を低減し、ＣＲ帯域を拡大している。

また、ｐ型コンタクト層２０２をｐ型光吸収層とし兼用し、さらにｐ型コンタクト層２０２の上にアンドープＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5の光吸収層２０３を設ける、いわゆるＭＩＣ構造とすることで、高感度化し、同時に走行帯域を拡大している。また、ｐ型の光吸収層（ｐ型コンタクト層２０２）およびアンドープの光吸収層２０３をＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5から構成しているので、上述したように、光吸収層２０３から増倍層２０５に移動する電子にとってはバリアを通過しやすく、増倍層２０５から光吸収層２０３に移動する正孔にとってはヘテロ界面で加速されることになり、電子注入型のアバランシェフォトダイオードとしては都合がよい。

この例として、以下の表１に、ｐ型コンタクト層として一般的なＩｎＧａＡｓＰ、光吸収層としてＭＩＣ構造のＩｎＧａＡｓを用いた場合と、各々ＧａＡｓＳｂを用いた場合の、受光径２０μｍのアバランシェフォトダイオードのＣＲ帯域および走行帯域の計算値の比較を示す。また、図４に、これらのアバランシェフォトダイオードの利得帯域特性の計算結果を示す。図４において、（ａ）の実線がｐ型コンタクト層および光吸収層をＧａＡｓＳｂから構成した場合を示し、（ｂ）の２点鎖線がｐ型コンタクト層をＩｎＧａＡｓＰから構成し、光吸収層をＩｎＧａＡｓから構成した場合を示している。なお、図４では、ＧＢ積（Gain Band width product：ＧＢＰ）＝１５０ＧＨｚを想定している。

表１および図４から分かるように、吸収層が１０００ｎｍ程度のアバランシェフォトダイオードにおいては、走行帯域よりもＣＲ帯域によって制限がかかるため、実施の形態２の構成により素子の抵抗を低減し、高速なアバランシェフォトダイオードが作製できるようになる。

[実施の形態３]
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図５は、本発明の実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図５では、断面を模式的に示している。

このアバランシェフォトダイオードは、例えば、鉄をドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰからなる基板２０１と、Ｓｂを含むｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板２０１の上に形成されたｐ型コンタクト層５０２と、Ｓｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層５０２の上に形成された光吸収層２０３とを備える。

また、実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードは、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて光吸収層２０３の上に形成された第１電界制御層２０４と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて第１電界制御層２０４の上に形成された増倍層２０５と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層２０５の上に形成された第２電界制御層２０６と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて第２電界制御層２０６の上に形成された電子走行層２０７とを備える。

また、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて電子走行層２０７より小さい面積で電子走行層２０７の上に形成されたｎ型コンタクト層２０８を備える。また、ｎ型コンタクト層２０８には、ｎ電極２０９が形成され、ｐ型コンタクト層５０２には、ｐ電極２１０が形成されている。

また、実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層２０３は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有し、ｎ型コンタクト層２０８，第１電界制御層２０４，増倍層２０５，第２電界制御層２０６，および電子走行層２０７は、光吸収層２０３より大きなバンドギャップエネルギーを有するものとされている。

上述した構成は、前述した実施の形態２と同様である。実施の形態３では、ｐ型コンタクト層５０２は、炭素を不純物として導入することでｐ型とし、加えて、基板２０１から離れて光吸収層２０３に近づくほど不純物濃度が低い状態に形成されているようにした。

例えば、ｐ型コンタクト層５０２は、基板２０１の側の不純物（炭素）の濃度は、１．０×１０²⁰ｃｍ^-3程度とし、光吸収層２０３との界面に向かって１．０×１０²⁰ｃｍ^-3よりも低くなるように、いわゆる傾斜ドーピング構造とすればよい。

上述した実施の形態３においても、前述した実施の形態２と同様に、ｐ型コンタクト層５０２は、通信に用いる１．５５μｍまたは１．３μｍの入射光に対して感度を有し、入射光により生じた電子／正孔対の輸送特性は、少数キャリアである電子の拡散速度によって支配され、同じ材料でアンドープとした光吸収層２０３においては、入射光により生じた電子／正孔対の輸送特性は、正孔のドリフト速度により支配されている。

ここで、実施の形態３では、ｐ型コンタクト層５０２を上述したように傾斜ドーピング構造としているので、層内のキャリア濃度差に起因するビルトインポテンシャルにより、ｐ型コンタクト層５０２内における電子移動は、若干のドリフト成分が含まれるようになる。この結果、ｐ型コンタクト層５０２における電子の輸送速度が向上する。

実施の形態３における、ｐ型コンタクト層５０２の傾斜ドーピングによる、光吸収層２０３との界面側でのドーピング濃度と走行帯域との関係の計算結果を図６に示す。図６において、横軸の「界面のドーピング濃度」は、ｐ型コンタクト層５０２の光吸収層２０３側の界面の濃度を示している。図６に示すように、基板２０１の側から光吸収層２０３との界面側へ、ｐ型コンタクト層５０２のドーピングプロファイルをドーピング濃度が薄くなるように傾斜させることで、走行帯域をさらに拡大し、結果としてより広帯域なアバランシェフォトダイオードが作製できる。

また、ｐ型コンタクト層５０２の界面側のドーピング濃度が十分低い場合には、コンタクト抵抗の高抵抗化が予想される。この場合には、ｐ型コンタクト層５０２の層厚方向上側（光吸収層側）のドーピング濃度の低い部分を除去し、層厚方向下側のドーピング濃度より高い部分を露出させ、ここにｐ電極２１０を形成すればよい。

[実施の形態４]
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図７は、本発明の実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図７では、断面を模式的に示している。

このアバランシェフォトダイオードは、例えば、鉄をドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰからなる基板７０１と、Ｓｂを含むｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板７０１の上に形成されたｐ型コンタクト層７０２と、アンチモンを含むアンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層７０２の上に形成された光吸収層７０３とを備える。なお、図７における符号７１１の層については、後述する。

また、実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードは、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて光吸収層７０３の上に形成された第１電界制御層７０４と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて第１電界制御層７０４の上に形成された増倍層７０５と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層７０５の上に形成された第２電界制御層７０６と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて第２電界制御層７０６の上に形成された電子走行層７０７とを備える。

また、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて電子走行層７０７より小さい面積で電子走行層７０７の上に形成されたｎ型コンタクト層７０８を備える。また、ｎ型コンタクト層７０８には、ｎ電極７０９が形成され、ｐ型コンタクト層７０２には、ｐ電極２１０が形成されている。

また、実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層７０３は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有し、ｎ型コンタクト層７０８，第１電界制御層７０４，増倍層７０５，第２電界制御層７０６，および電子走行層７０７は、光吸収層７０３より大きなバンドギャップエネルギーを有するものとされている。また、ｐ型コンタクト層７０２は、炭素を不純物として導入することでｐ型とされ、光吸収層７０３は、ノンドープとされている。

例えば、光吸収層７０３は、アンドープのＧａ_0.5Ａｓ_0.5Ｓｂより構成されていればよい。また、第１電界制御層７０４は、ｐ型としたＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓから構成されていればよい。また、増倍層７０５は、アンドープのＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓから構成されていればよい。第２電界制御層７０６は、ｎ型としたＩｎＰから構成されていればよい。また、電子走行層７０７は、アンドープのＩｎＰから構成されていればよい。また、ｎ型コンタクト層７０８は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。

なお、光吸収層７０３，第１電界制御層７０４，増倍層７０５，第２電界制御層７０６および電子走行層７０７は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、よく知られたメサ構造とされている。加えて、ｎ型コンタクト層７０８は、電子走行層７０７より小さい面積のメサ構造とされている。

上述した構成は、前述した実施の形態２と同様である。実施の形態４では、新たに、光吸収層７０３とｐ型コンタクト層７０２との間に、アンチモンを含むｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されたｐ型光吸収層７１１を備える。例えば、ｐ型光吸収層７１１は、ｐ型のＧａ_0.5Ａｓ_0.5Ｓｂより構成されていればよい。また、実施の形態４では、ｐ型コンタクト層７０２は、不純物として炭素が１．０×１０²⁰ｃｍ^-3程度導入されたｐ型のＡｌＧａＡｓＳｂから構成する。このように構成したｐ型コンタクト層７０２は、光吸収層で吸収する波長帯（１．５μｍ，１．３μｍ帯）の光に対して感度を持たない。言い換えると、実施の形態２における光吸収層の機能を兼ねたｐ型コンタクト層２０２を、実施の形態４では、ｐ型コンタクト層７０２およびｐ型光吸収層７１１に分離している。

実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードのバンドラインナップを図８に示す。図８に示すように、光吸収層２０３よりバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＡｓＳｂからｐ型コンタクト層７０２を構成することで、ｐ型コンタクト層７０２とｐ型光吸収層７１１との界面に、伝導帯端のバンド不連続が生じる。このバンド不連続により、ｐ型光吸収層７１１における電子が、基板７０１方向へ拡散することを阻止でき、当該電子をｎ型コンタクト層７０８の方向のみに拡散させることができる。

このように、実施の形態４によれば、ｐ型光吸収層７１１における実効キャリアにあたる電子を、選択的にｎ型コンタクト層７０８の方向に拡散させることができるので、キャリアの取り出し効率が向上し、結果としてより高感度なアバランシェフォトダイオードが実現できる。

以上に説明したように、本発明によれば、いわゆる反転型アバランシェフォトダイオードにおいて、ｐ型コンタクト層を、アンチモンを含み、炭素をドーパントとすることでｐ型としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成したので、基板側のｐ型コンタクト層の抵抗が低減する。この結果、素子のＣＲ時定数による帯域制限の影響を低減させ、広帯域なアバランシェフォトダイオードが得られるようになる。また、光吸収層を、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成したので、この材料の伝導帯および価電子帯の高いエネルギー位置により、光吸収層から増倍層への電子注入にも都合がよく、動作電圧を低減することができる。またさらに、ｐ型コンタクト層の構成材料として、Ｓｂに加えてＡｌを加えるようにすれば、ｐ型光吸収層の光電子を選択的にｎ型電極側に拡散させることができ、より高感度化が実現できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、増倍層をＩｎＡｌＡｓから構成する場合について説明したが、これに限るものではなく、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，Ｓｉ，ＳｉＧｅなどの他の半導体材料から構成してもよい。また、増倍層は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓなどの超格子構造から構成してもよい。

また、さらに素子の高感度化を実現するため、基板の裏面を研磨し、また、素子上部に金属や誘電体多層膜によるミラーを設けることで入射光を反射させて光路長を増大させても、本発明の一般性を失わないことは明らかである。また、作製方法として有機金属気相成長法を例に説明したが、これに限るものではなく、分子線エピタキシー法などの他の結晶成長方法を用いてもよい。

１０１…基板、１０２…ｐ型コンタクト層、１０３…光吸収層、１０４…電界制御層、１０５…増倍層、１０６…ｎ型コンタクト層、１０７…ｎ電極、１０８…ｐ電極。

Claims

アンチモンを含むｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板の上に形成されたｐ型コンタクト層と、
アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて前記ｐ型コンタクト層の上に形成された光吸収層と、
ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて前記光吸収層の上に形成された電界制御層と、
アンドープの半導体から構成されて前記電界制御層の上に形成された増倍層と、
ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて前記増倍層の上に形成されたｎ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層に形成されたｐ電極と、
前記ｎ型コンタクト層に形成されたｎ電極と
を少なくとも備え、
前記光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有し、
前記ｎ型コンタクト層，増倍層，および電界制御層は、前記光吸収層より大きなバンドギャップエネルギーを有し、
前記ｐ型コンタクト層は、炭素を不純物として導入することでｐ型とされ、
前記光吸収層は、前記ｐ型コンタクト層よりも不純物濃度が低い状態とされている
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
請求項１記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記ｐ型コンタクト層は、前記基板から離れて前記光吸収層に近づくほど不純物濃度が低い状態に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。
請求項１または２記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記ｐ型コンタクト層は、アンチモンに加えてアルミニウムを含んで構成された化合物ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構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。