JP5700561B2 - 受光素子 - Google Patents

Description

本発明は、高感度で広帯域動作が可能な受光素子に関するものである。

フォトダイオードは、光通信におけるレシーバを含む様々な受光用途に用いられる素子である。フォトダイオードの一つとして、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）がある。アバランシェフォトダイオードは、半導体光吸収層で発生したキャリアを高電界で加速することで格子位置原子に衝突させ、これにより二次電子ならびに正孔を発生させ、さらに、発生した電子と正孔が電界で加速され衝突を繰り返していくアバランシェ増倍を利用したフォトダイオードである。一般的なフォトダイオードでは光を電気に変換する際の効率は１００％が限界となるのに対し、アバランシェフォトダイオードでは素子自身に増倍機能を有するため、１００％を大きく超える高効率化が可能となる。

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、光吸収層としてＩｎＧａＡｓが用いられている。ただし、この場合、アバランシェ増倍を起こす高電界状態では、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、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なる。例えば、ＩｎＰでは正孔のイオン化率が大きいため正孔注入型、ＩｎＡｌＡｓ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。

また、アバランシェフォトダイオードにおいてより高い受光感度を得ようとしたときに、入射光のアバランシェフォトダイオード内における吸収効率は吸収層の膜厚に依存するため、光吸収層を一定程度厚くする必要がある。ただし、吸収層の厚膜化は、吸収層内で生じたキャリアの走行時間の増大にもつながり、結果として帯域幅の低下につながる。このように、受光感度と帯域幅は、本質的にトレードオフの関係にある。これに対し、最近では、吸収層の膜厚を確保しながらも、キャリアの走行時間を短縮できる、ＭＩＣ（Maximized-Induced Current）構造が提案されている（非特許文献２参照）。ＭＩＣ構造では、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ている。

ところで、一般的なアバランシェフォトダイオードは、電極金属が接続するコンタクト層を選択拡散やイオン注入による不純物の選択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している（非特許文献３，４参照）。この構造では、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、いわゆる「エッジブレークダウン」と呼ばれる現象が生じる。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為、いわゆる「ガードリング技術」が用いられる。ただし、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、素子作製プロセスが複雑であった。

これに対し、最近では、高感度および広帯域を実現しながらも、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エッジブレークダウンを抑制する構造のアバランシェフォトダイオードが提案されている（非特許文献５参照）。このアバランシェフォトダイオードは、反転型アバランシェフォトダイオードといわれている。

反転型アバランシェフォトダイオードの構造は、半絶縁性のＩｎＰ基板上に、ｐ型のコンタクト層を配置し、この上にＭＩＣ構造の光吸収層（ｐ型吸収層、アンドープ光吸収層）、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。ｎ型コンタクト層を小さいメサ状にエッチングすることで、従来のアバランシェフォトダイオードにおける選択ドーピングと同様の効果を可能にしている。また、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で、エッジブレークダウンを抑制している。

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. Y. Muramoto and T. Ishibashi, "InP/InGaAs pin Photodiode structure maximising bandwidth and efficiency", Electron. Lett. , vol.39, pp.24-25, 2003. E.Ishimura et al. , "Degradation Mode Analysis on Highly Reliable Guardring-Free Planar InAlAs Avalanche Photodiodes", Journal of Lightwave Technology, col.25, no.12, pp.3686-3693, 2007. Y.Hirota et al. , "Reliable non-Zn-diffused InP/InGaAs avalanche photodiode with buried n-InP layer operated by electron injection mode", Electron. Lett. , vol.40, p.1378-1379, 2004. 名田 允洋 他、「メサ型新構造を有する高利得・広帯域ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオード」、２０１１年電子情報通信学会ソサイエティ大会、Ｃ−４−３３。

以上に説明したように、現在、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によってのみ作製でき、かつ安定的に動作する反転型アバランシェフォトダイオードが提案されている。また、この反転型アバランシェフォトダイオードは、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、反転型アバランシェフォトダイオードの構造では、ｐ型コンタクト層が基板側に存在するため、正孔がｐ型コンタクト層内で横方向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、反転型アバランシェフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードとしての高速動作の際、ＭＩＣ構造により、走行帯域は確保されているが、ＣＲ時定数制限により広帯域動作が制限され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、帯域幅が制限されることなく、さらに高速に動作できるようにすることを目的とする。

本発明に係る受光素子は、半絶縁性のＩｎＰから構成された基板と、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板の主表面上に形成されたｐ型コンタクト層と、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、ｎ型コンタクト層に接続して形成されたｎ電極と、ｎ型コンタクト層の形成領域より外側の基板の裏面側に形成されて基板を貫通してｐ型コンタクト層に接続するｐ電極とを少なくとも備え、ｎ型コンタクト層より下層の各層は、所望とするメサ構造とされ、ｎ型コンタクト層は、メサ構造より小さい面積に形成され、ｐ電極は、ｐ型コンタクト層との接続部がｎ型コンタクト層の形成領域より外側でメサ構造の形成領域より内側の範囲に形成され、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、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、ｐ電極が形成されておらず且つｎ型コンタクト層に向かい合う基板の裏面側から光が入射される。

上記受光素子において、ｎ電極は、ｎ型コンタクト層の全域に形成されていてもよい。また、ｎ電極は、基板の裏面側にまで引き出されていてもよい。

上記受光素子において、ｎ型コンタクト層の上に形成された支持基板を備えるようにしてもよい。また、基板の裏面に開口部を備え、ｐ電極は、開口部の領域内に形成されているようにしてもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、反転型のアバランシェフォトダイオードにおいて、帯域幅が制限されることなく、さらに高速に動作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における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、受光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態２における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態２における受光素子の構成を模式的に示す平面図である。 図５は、本発明の実施の形態３における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態３における受光素子の構成を模式的に示す平面図である。 図７は、本発明の実施の形態４における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態５における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図９は、受光素子の構成を模式的に示す断面図である。

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について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。この受光素子は、半絶縁性のＩｎＰから構成された基板１０１と、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板１０１の主表面上に形成されたｐ型コンタクト層１０２と、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、この受光素子は、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。この受光素子は、いわゆる反転型アバランシェフォトダイオードであり、ｎ型コンタクト層１０６より下層の各層は、所望とするメサ構造とされ、ｎ型コンタクト層１０６は、メサ構造より小さい面積に形成されている。

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する化合物半導体から構成されている。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化合物半導体から構成されている。また、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。

また、この受光素子は、ｎ型コンタクト層１０６に接続して形成されたｎ電極１０７と、ｎ型コンタクト層１０６の形成領域より外側の基板１０１裏面に形成されて基板１０１を貫通してｐ型コンタクト層１０２に接続するｐ電極１０９とを少なくとも備える。加えて、ｐ電極１０９とｐ型コンタクト層１０２とを接続する貫通配線（接続部）１０８は、ｎ型コンタクト層１０６の形成領域より外側で上記メサ構造の形成領域より内側の範囲１２１に形成されている。また、この受光素子では、基板１０１の側より光を入射する。なお、ｎ電極１０７は、ｎ型コンタクト層１０６の全域に形成されている。

例えば、基板１０１は、鉄をドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰから構成されていればよい。また、ｐ型コンタクト層１０２は、不純物としてＺｎが導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。不純物濃度は、６×１０¹⁸ｃｍ^-3程度とすればよい。また、光吸収層１０３は、アンドープのＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、電界制御層１０４は、不純物としてＺｎが導入されたｐ型のＩｎＡｌＡｓから構成されていればよい。また、増倍層１０５は、電子注入型で良好なイオン化率を有するアンドープの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、不純物としてＳｉが導入されたｎ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。

なお、ｐ型コンタクト層１０２，光吸収層１０３，電界制御層１０４，および増倍層１０５は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、円筒形状のメサ構造とされている。加えて、ｎ型コンタクト層１０６は、上記メサ構造の平面視の面積より小さいメサ形状に形成されている。ｎ型コンタクト層１０６も、例えば、円筒形状とされている。この構造とすることで、いわゆるガードリング構造と同様の効果が得られるようになる。

ここで、実施の形態１における受光素子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、Ｚｎを不純物として導入したｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｐ型コンタクト層１０２）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（光吸収層１０３）、Ｚｎを不純物として導入した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を不純物として導入した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、まず、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの層を所望のメサ形状にパターニングしてｎ型コンタクト層１０６を形成する。次に、ｎ型コンタクト層１０６より広い面積のメサ形状に、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ，アンドープのＩｎＧａＡｓ，ｐ型のＩｎＡｌＡｓ，およびアンドープのＩｎＡｌＡｓをパターニングする。このパターニングにより、ｎ型コンタクト層１０６より平面視で大きな面積のメサ構造とした、ｐ型コンタクト層１０２，光吸収層１０３，電界制御層１０４，増倍層１０５を形成する。

次に、基板１０１を、例えば板厚１００μｍ程度にまで研磨し、基板１０１の裏面よりｐ型コンタクト層１０２に到達する貫通孔を形成する。次いで、この貫通孔に貫通配線１０８を形成し、貫通配線１０８に接続するｐ電極１０９を形成する。例えば、上記貫通孔形成位置に開口を有するエッチングマスクを用い、よく知られた反応性イオンエッチングによる基板１０１の選択的なエッチングにより貫通孔が形成できる。このようにして貫通孔を形成した後、ｐ電極１０９形成領域に開口を有する選択成長マスクを用い、例えばめっき法により金属を堆積することで、貫通配線１０８およびｐ電極１０９が形成できる。

上述した実施の形態１における受光素子によれば、基板１０１の裏面側で、ｎ型コンタクト層１０６の形成領域より外側でメサ構造の形成領域より内側の範囲１２１に、ｐ型コンタクト層１０２に接続する貫通配線１０８（ｐ電極１０９）を形成した。この結果、光吸収層１０３で生成された正孔は、図１の中の矢視線で示すように、ｐ型コンタクト層１０２の層厚方向に移動し、貫通配線１０８に到達する。このため、正孔の移動距離は、ほぼ、ｐ型コンタクト層１０２の層厚に等しい。ｐ型コンタクト層１０２の層厚が２００ｎｍであれば、正孔の移動距離は約２００ｎｍとなる。

一方、図２に示すように、ｐ型コンタクト層１０２の上において、光吸収層１０３などのメサ構造以外の領域にｐ電極２０９を形成する場合、光吸収層１０３で生成された正孔は、図２の中の複数の矢視線で示すように、ｐ型コンタクト層１０２の平面方向に移動し、ｐ電極２０９に到達する。光吸収層１０３を含むメサ構造の素子径が２０μｍとすると、この場合の正孔移動距離は１５μｍ程度となる。

ここで、不純物の導入濃度が６×１０¹⁸ｃｍ^-3程度とされているＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１０２は、正孔移動度は５０ｃｍ²／Ｖであり、シート抵抗は約７８０Ω／ｃｍ^-2である。このため、光吸収層１０３からｐ電極２０９までの抵抗は、１００Ω程度となる。

これに対し、前述した実施の形態１によれば、光吸収層１０３から貫通配線１０８までの抵抗は、１Ω以下と無視できる程度にまで小さくなる。このように、実施の形態１によれば、ｐ型コンタクト層１０２を実質的に低抵抗化することができる。この結果、本実施の形態によれば、反転型のアバランシェフォトダイオードにおいて、帯域幅が制限されることなく、さらに高速に動作させることができるようになる。

また、ｎ型コンタクト層１０６の形成領域の基板１０１裏面には、ｐ電極１０９が形成されていないので、全ての入射光が、ｎ型コンタクト層１０６の形成領域に導入される。従って、実施の形態１によれば、電極の存在により入射光が遮られることがなく、受光素子における光電変換効率を低下させることがない。

［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３は、本発明の実施の形態２における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。

この受光素子は、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３０１と、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板３０１の上に形成されたｐ型コンタクト層３０２とを備える。また、実施の形態２では、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層３０２の上に形成されたｐ型光吸収層３０３と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型光吸収層３０３の上に形成されたアンドープ光吸収層３０４とを備える。実施の形態２では、これら２層で光吸収層を構成するＭＩＣ構造としている。

また、実施の形態２における受光素子は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてアンドープ光吸収層３０４の上に形成されたｐ型電界制御層３０５と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型電界制御層３０５の上に形成された増倍層３０６と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層３０６の上に形成されたｎ型電界制御層３０７と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｎ型電界制御層３０７の上に形成されたエッジ電界緩和層３０８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エッジ電界緩和層３０８の上に形成されたｎ型コンタクト層３０９を備える。実施の形態２における受光素子は、いわゆる反転型アバランシェフォトダイオードであり、ｎ型コンタクト層３０９より下層の各層は、所望とするメサ構造とされ、ｎ型コンタクト層３０９は、メサ構造より小さい面積に形成されている。

また、ｎ型コンタクト層３０９には、ｎ電極３１０が接続して形成されている。一方、ｐ型コンタクト層３０２に接続するｐ電極３１２は、ｎ型コンタクト層３０９の形成領域より外側の基板３０１裏面に形成されている。ｐ電極３１２は、基板３０１を貫通する貫通配線（接続部）３１１により、ｐ型コンタクト層３０２に接続する。貫通配線３１１の配置については、前述した実施の形態１と同様であり、ｎ型コンタクト層３０９の形成領域より外側で上記メサ構造の形成領域より内側の範囲に設けられている。

また、ｐ電極３１２は、基板３０１の裏面にリング状に形成され、開口部３１２ａを備えている。この形状に合わせ、貫通配線３１１がリング状に形成されていてもよい。前述したように、ｐ電極３１２は、ｎ型コンタクト層３０９の形成領域より外側に形成されており、開口部３１２ａは、ｎ型コンタクト層３０９の形成領域に対応して形成されている。開口部３１２ａとｎ型コンタクト層３０９とは、基板３０１，ｐ型コンタクト層３０２，ｐ型光吸収層３０３，アンドープ光吸収層３０４，ｐ型電界制御層３０５，増倍層３０６，およびｎ型電界制御層３０７を挟んで対向配置されている。実施の形態２における受光素子では、基板３０１の裏面側より、開口部３１２ａを通過して光が入射する。

なお、アンドープ光吸収層３０４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３０９，ｐ型電界制御層３０５，増倍層３０６，ｎ型電界制御層３０７，およびエッジ電界緩和層３０８は、アンドープ光吸収層３０４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。なお、ｐ型電界制御層３０５およびｎ型電界制御層３０７は、増倍層３０６の電界強度のみを高電界とし、各光吸収層およびエッジ電界緩和層３０８には高い電界強度が生じないよう、ドーピング濃度および層厚を適切に調整する。

例えば、ｐ型コンタクト層３０２は、不純物としてＺｎが導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されている。不純物濃度は、６×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。また、ｐ型光吸収層３０３は、不純物としてＺｎが導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓから構成され、アンドープ光吸収層３０４は、アンドープのＩｎＧａＡｓから構成されている。

また、ｐ型電界制御層３０５は、ｐ型としたＩｎＡｌＡｓから構成され、増倍層３０６は、アンドープのＩｎＡｌＡｓから構成され、ｎ型電界制御層３０７は、ｎ型としたＩｎＰから構成されている。また、エッジ電界緩和層３０８は、この層がエッジ電界に耐えうるように、例えば、バンドギャップエネルギーの大きなアンドープのＩｎＡｌＡｓから構成されている。また、ｎ型コンタクト層３０９は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されている。

なお、ｐ型コンタクト層３０２，ｐ型光吸収層３０３，アンドープ光吸収層３０４，ｐ型電界制御層３０５，増倍層３０６，ｎ型電界制御層３０７，およびエッジ電界緩和層３０８は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、円筒形状のメサ構造とされている。また、ｎ型コンタクト層３０９は、エッジ電界緩和層３０８を最上層とするメサ構造より平面視で小さい面積のメサ形状とされている。ｎ型コンタクト層３０９も、例えば、円筒形状とされている。

ここで、実施の形態２における受光素子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３０１上に、Ｚｎを不純物として導入したｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｐ型コンタクト層３０２）、Ｚｎを不純物として導入したｐ型のＩｎＧａＡｓ（ｐ型光吸収層３０３）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（アンドープ光吸収層３０４）、Ｚｎを不純物として導入したｐ型のＩｎＡｌＡｓ（ｐ型電界制御層３０５）、アンドープのＩｎＡｌＡｓ（増倍層３０６）、Ｓｉを不純物として導入したｎ型のＩｎＰ（ｎ型電界制御層３０７）、アンドープのＩｎＡｌＡｓ（エッジ電界緩和層３０８）、およびＳｉを不純物として導入したｎ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｎ型コンタクト層３０９）をエピタキシャル成長により順次堆積する。これらは、有機金属気相成長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３１０を形成する。例えば、ｎ電極３１０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３０９）にオーミック接続するｎ電極３１０が形成できる（リフトオフ法）。

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、まず、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの層を所望のメサ形状にパターニングしてｎ型コンタクト層３０９を形成する。次に、ｎ型コンタクト層３０９より広い面積のメサ構造に、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ，ｐ型のＩｎＧａＡｓ，アンドープのＩｎＧａＡｓ，ｐ型のＩｎＡｌＡｓ，アンドープのＩｎＡｌＡｓ，ｎ型のＩｎＰ，およびアンドープのＩｎＡｌＡｓをパターニングする。このパターニングにより、ｎ型コンタクト層３０９より平面視で大きな面積のメサ構造とした、ｐ型コンタクト層３０２，ｐ型光吸収層３０３，アンドープ光吸収層３０４，ｐ型電界制御層３０５，増倍層３０６，ｎ型電界制御層３０７，エッジ電界緩和層３０８を形成する。

次に、基板３０１を、例えば板厚１００μｍ程度にまで研磨し、基板３０１の裏面よりｐ型コンタクト層３０２に到達する貫通孔を形成する。次いで、この貫通孔に貫通配線３１１を形成し、貫通配線３１１に接続するｐ電極３１２を形成する。例えば、上記貫通孔形成位置に開口を有するエッチングマスクを用い、反応性イオンエッチングによる選択的なエッチングにより貫通孔が形成できる。

このようにして貫通孔を形成した後、ｐ電極３１２形成領域に開口を有する選択成長マスクを用い、例えばめっき法により金属を堆積することで、貫通配線３１１を形成すると共に開口部３１２ａを備えるリング状のｐ電極３１２を形成する。例えば、ｎ型コンタクト層３０９の平面視の外径が２０μｍである場合、開口部３１２ａの開口径を２０μｍ程度とすればよい。また、図４の基板３０１の裏面から見た平面図に示すように、外径２０μｍとしたｎ型コンタクト層３０９に対し、開口部３１２ａの開口径を２１μｍ程度とある程度大きい面積としてもよい。

上述した実施の形態２における受光素子によれば、基板３０１の裏面側で、ｎ型コンタクト層３０９の形成領域より外側で上記メサ構造の形成領域より内側の範囲に、ｐ型コンタクト層３０２に接続する貫通配線３１１（ｐ電極３１２）を形成した。この結果、ｐ型光吸収層３０３で生成された正孔は、ｐ型コンタクト層３０２の層厚方向に移動し、貫通配線３１１に到達する。このため、正孔の移動距離は、ほぼ、ｐ型コンタクト層３０２の層厚に等しい。ｐ型コンタクト層３０２の層厚が２００ｎｍであれば、正孔の移動距離は約２００ｎｍと非常に短くなる。

これにより、実施の形態２によれば、ｐ型光吸収層３０３から貫通配線３１１までの抵抗は、１Ω以下と無視できる程度にまで小さくなる。このように、実施の形態２によれば、ｐ型コンタクト層３０２を実質的に低抵抗化することができる。この結果、実施の形態２によれば、反転型のアバランシェフォトダイオードにおいて、帯域幅が制限されることなく、さらに高速に動作させることができるようになる。

また、実施の形態２においても、ｎ型コンタクト層３０９の形成領域の基板３０１裏面には、ｐ電極３１２が形成されていないので、全ての入射光が、ｎ型コンタクト層３０９の形成領域に導入される。従って、実施の形態２においても、前述した実施の形態１と同様に、電極の存在により受光素子における光電変換効率を低下させることがない。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。

この受光素子は、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５０１と、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板５０１の上に形成されたｐ型コンタクト層５０２とを備える。また、実施の形態３では、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層５０２の上に形成されたｐ型光吸収層５０３と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型光吸収層５０３の上に形成されたアンドープ光吸収層５０４とを備える。実施の形態３では、これら２層で光吸収層を構成するＭＩＣ構造としている。

また、実施の形態３における受光素子は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてアンドープ光吸収層５０４の上に形成されたｐ型電界制御層５０５と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型電界制御層５０５の上に形成された増倍層５０６と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層５０６の上に形成されたｎ型電界制御層５０７と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｎ型電界制御層５０７の上に形成されたエッジ電界緩和層５０８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エッジ電界緩和層５０８の上に形成されたｎ型コンタクト層５０９を備える。ｐ型コンタクト層５０２，ｐ型光吸収層５０３，アンドープ光吸収層５０４，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，ｎ型電界制御層５０７およびエッジ電界緩和層５０８は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、円筒形状のメサ構造とされている。また、ｎ型コンタクト層５０９は、エッジ電界緩和層５０８を最上層とするメサ構造より平面視で小さい面積のメサ形状とされている。ｎ型コンタクト層５０９も、例えば円筒形状とされている。この受光素子は、反転型アバランシェフォトダイオードである。

また、ｎ型コンタクト層５０９には、ｎ電極配線５１０が接続して形成されている。ｎ電極配線５１０は、上述したメサ構造の側部に、絶縁分離層５１１を介して形成されている。ｎ電極配線５１０は、絶縁分離層５１１により，メサ構造とは絶縁分離して形成されている。なお、絶縁分離層５１１は、メサ構造の周囲を全て覆う状態に形成してもよい。また、ｎ電極配線５１０は、基板５０１を貫通している貫通配線５１２に接続し、貫通配線５１２は、基板５０１の裏面に形成されているｎ電極５１３に接続している。加えて、ｎ電極５１３は、ｎ電極パッド５１４を備えている。このように、実施の形態３では、ｎ電極を基板５０１の裏面側にまで引き出すようにしている。

一方、ｐ型コンタクト層５０２に接続するｐ電極５１７は、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側の基板５０１裏面に形成されている。ｐ電極５１７は、基板５０１を貫通する貫通配線（接続部）５１６により、ｐ型コンタクト層５０２に接続する。また、ｐ電極５１７は、ｐ電極パッド５１８を備えている。貫通配線５１６の配置については、前述した実施の形態２と同様であり、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側で上記メサ構造の形成領域より内側の範囲に設けられている。

また、ｐ電極５１７は、基板５０１の裏面にリング状に形成され、開口部５１７ａを備えている。前述したように、ｐ電極５１７は、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側に形成されており、開口部５１７ａは、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域に対応して形成されている。開口部５１７ａとｎ型コンタクト層５０９とは、基板５０１，ｐ型コンタクト層５０２，ｐ型光吸収層５０３，アンドープ光吸収層５０４，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，およびｎ型電界制御層５０７を挟んで対向配置されている。実施の形態３における受光素子では、基板５０１の裏面に、ｎ電極配線５１０およびｐ電極５１７を備える構成としている。また、基板５０１の裏面側より、開口部５１７ａを通して光が入射する。

なお、アンドープ光吸収層５０４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５０９，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，ｎ型電界制御層５０７，およびエッジ電界緩和層５０８は、アンドープ光吸収層５０４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。

例えば、ｐ型コンタクト層５０２は、不純物としてＺｎが導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されている。不純物濃度は、６×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。また、ｐ型光吸収層５０３は、不純物としてＺｎが導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓから構成され、アンドープ光吸収層５０４は、アンドープのＩｎＧａＡｓから構成されている。

また、ｐ型電界制御層５０５は、ｐ型としたＩｎＡｌＡｓから構成され、増倍層５０６は、アンドープのＩｎＡｌＡｓから構成され、ｎ型電界制御層５０７は、ｎ型としたＩｎＰから構成されている。また、エッジ電界緩和層５０８は、アンドープのＩｎＡｌＡｓから構成され、ｎ型コンタクト層５０９は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰから構成されている。

ここで、実施の形態３における受光素子の製造方法について簡単に説明する。まず、前述した実施の形態２と同様にすることで、所望のメサ形状のｎ型コンタクト層５０９を形成し、ｎ型コンタクト層５０９より平面視で大きな面積のメサ構造とした、ｐ型コンタクト層５０２，ｐ型光吸収層５０３，アンドープ光吸収層５０４，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，ｎ型電界制御層５０７，エッジ電界緩和層５０８を形成する。

次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ膜およびベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）膜を形成し、これらを公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（リアクティブイオンエッチング）によりパターニングすることで、絶縁分離層５１１を形成する。次いで、一端がｎ型コンタクト層５０９に接続し、絶縁分離層５１１が形成されているメサ構造側部に配設され、他端が、後述する貫通配線５１２の形成箇所の基板５０１に接続するｎ電極配線５１０を形成する。例えば、ｎ電極配線５１０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、一端がｎ型コンタクト層５０９にオーミック接続するｎ電極配線５１０が形成できる。

次に、基板５０１を、例えば板厚１００μｍ程度にまで研磨し、基板５０１の裏面より貫通孔を形成する。ここでは、貫通配線５１２および貫通配線５１６を形成するための貫通孔を形成する。貫通配線５１２を形成するための貫通孔は、ｎ電極配線５１０の他端側に到達するように形成する。次いで、形成した各貫通孔に貫通配線５１２および貫通配線５１６を形成し、貫通配線５１２に接続するｎ電極５１３および貫通配線５１６に接続するｐ電極５１７を形成する。

例えば、上記貫通孔形成位置に開口を有するエッチングマスクを用い、反応性イオンエッチングによる選択的なエッチングにより貫通孔が形成できる。このようにして貫通孔を形成した後、ｎ電極５１３およびｐ電極５１７形成領域に開口を有する選択成長マスクを用い、例えばめっき法により金属を堆積することで、貫通配線５１２，貫通配線５１６を形成し、ｎ電極５１３および開口部５１７ａを備えるリング状のｐ電極５１７を形成する。

例えば、ｎ型コンタクト層５０９の平面視の外径が２０μｍである場合、開口部５１７ａの開口径を２０μｍ程度とすればよい。また、図６の基板５０１の裏面から見た平面図に示すように、外径２０μｍとしたｎ型コンタクト層５０９に対し、開口部５１７ａの開口径を２１μｍ程度とある程度大きい面積としてもよい。

上述した実施の形態３における受光素子においても、前述した実施の形態１，２と同様に、基板５０１の裏面側で、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側でメサ構造の形成領域より内側の範囲に、ｐ型コンタクト層５０２に接続する貫通配線５１６（ｐ電極５１７）を形成した。この結果、ｐ型光吸収層５０３で生成された正孔は、ｐ型コンタクト層５０２の層厚方向に移動し、貫通配線５１６に到達する。このため、正孔の移動距離は、ほぼ、ｐ型コンタクト層５０２の層厚に等しい。ｐ型コンタクト層５０２の層厚が２００ｎｍであれば、正孔の移動距離は約２００ｎｍと非常に短くなる。

これにより、実施の形態３においても、ｐ型光吸収層５０３から貫通配線５１６までの抵抗は、１Ω以下と無視できる程度にまで小さくなる。このように、実施の形態３においても、ｐ型コンタクト層５０２を実質的に低抵抗化することができる。この結果、実施の形態３においても、反転型のアバランシェフォトダイオードにおいて、帯域幅が制限されることなく、さらに高速に動作させることができるようになる。

また、実施の形態３では、ｎ電極５１３（ｎ電極パッド５１４）およびｐ電極５１７（ｐ電極パッド５１８）を、光の入射面となる基板５０１の裏面側に設けているので、受光素子をモジュール化する上での実装が容易になる。さらに、開口部５１７ａの中心軸とｎ型コンタクト層５０９の中心軸とが一致する状態に設計すれば、光学的な中心軸が、実装面となる基板５０１裏面側より容易に確認できる開口部５１７ａの中心部となる。この結果、光学実装が容易となる。このように、実施の形態３によれば、光学実装を含めたモジュール実装が容易になる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態４における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。

この受光素子は、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５０１と、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板５０１の上に形成されたｐ型コンタクト層５０２とを備える。また、実施の形態４では、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層５０２の上に形成されたｐ型光吸収層５０３と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型光吸収層５０３の上に形成されたアンドープ光吸収層５０４とを備える。

また、実施の形態４における受光素子は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてアンドープ光吸収層５０４の上に形成されたｐ型電界制御層５０５と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型電界制御層５０５の上に形成された増倍層５０６と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層５０６の上に形成されたｎ型電界制御層５０７と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｎ型電界制御層５０７の上に形成されたエッジ電界緩和層５０８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エッジ電界緩和層５０８の上に形成されたｎ型コンタクト層５０９を備える。ｐ型コンタクト層５０２，ｐ型光吸収層５０３，アンドープ光吸収層５０４，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，ｎ型電界制御層５０７，およびエッジ電界緩和層５０８は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、円筒形状のメサ構造とされている。また、ｎ型コンタクト層５０９は、上記メサ構造より小さい面積のメサ形状とされている。ｎ型コンタクト層５０９も、例えば円筒形状とされている。このように、実施の形態４における受光素子も、反転型アバランシェフォトダイオードである。

また、ｎ型コンタクト層５０９には、ｎ電極配線５１０が接続して形成されている。ｎ電極配線５１０は、上述したメサ構造の側部に、絶縁分離層５１１を介して形成されている。ｎ電極配線５１０は、絶縁分離層５１１によりメサ構造とは絶縁分離して形成されている。なお、絶縁分離層５１１は、メサ構造の周囲を全て覆う状態に形成してもよい。また、ｎ電極配線５１０は、基板５０１を貫通している貫通配線５１２に接続し、貫通配線５１２は、基板５０１の裏面に形成されているｎ電極５１３に接続している。加えて、ｎ電極５１３は、ｎ電極パッド５１４を備えている。

一方、ｐ型コンタクト層５０２に接続するｐ電極５１７は、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側の基板５０１裏面に形成されている。ｐ電極５１７は、基板５０１を貫通する貫通配線５１６により、ｐ型コンタクト層５０２に接続する。また、ｐ電極５１７は、ｐ電極パッド５１８を備えている。

また、ｐ電極５１７は、基板５０１の裏面にリング状に形成され、開口部５１７ａを備えている。前述したように、ｐ電極５１７は、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側に形成されており、開口部５１７ａは、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域に対応して形成されている。開口部５１７ａとｎ型コンタクト層５０９とは、基板５０１，ｐ型コンタクト層５０２，ｐ型光吸収層５０３，アンドープ光吸収層５０４，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，およびｎ型電界制御層５０７を挟んで対向配置されている。実施の形態４における受光素子では、基板５０１の裏面に、ｎ電極配線５１０およびｐ電極５１７を備える構成としている。また、基板５０１の裏面側より、開口部５１７ａを通して光が入射する。

なお、アンドープ光吸収層５０４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５０９，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，ｎ型電界制御層５０７，およびエッジ電界緩和層５０８は、アンドープ光吸収層５０４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。

上述した構成については、前述した実施の形態３と同様である。実施の形態４では、新たに、ｎ型コンタクト層５０９の上にｎ電極配線５１０を介して支持基板６０１が貼り付けられて形成されている。例えば、貫通配線５１２および貫通配線５１６などの形成のために、基板５０１の裏面を研磨して薄層化する前に、支持基板６０１を貼り付ければよい。支持基板６０１を貼り付けた後、前述した実施の形態３と同様にすることで、基板５０１の裏面を研磨し、貫通孔を形成し、貫通配線５１２，貫通配線５１６，ｎ電極５１３，ｐ電極５１７などを形成すればよい。このように、支持基板６０１を用いることで、例えば、貫通孔を形成するために基板５０１を薄層化しても、機械的強度が保持されるようになる。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態５における受光素子の構成を模式的に示す断面図である。

この受光素子は、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５０１と、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて基板５０１の上に形成されたｐ型コンタクト層５０２とを備える。また、実施の形態５では、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層５０２の上に形成されたｐ型光吸収層５０３と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型光吸収層５０３の上に形成されたアンドープ光吸収層５０４とを備える。

また、実施の形態５における受光素子は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてアンドープ光吸収層５０４の上に形成されたｐ型電界制御層５０５と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型電界制御層５０５の上に形成された増倍層５０６と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層５０６の上に形成されたｎ型電界制御層５０７と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｎ型電界制御層５０７の上に形成されたエッジ電界緩和層５０８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エッジ電界緩和層５０８の上に形成されたｎ型コンタクト層５０９を備える。ｐ型コンタクト層５０２，ｐ型光吸収層５０３，アンドープ光吸収層５０４，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，ｎ型電界制御層５０７，およびエッジ電界緩和層５０８は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、円筒形状のメサ構造とされている。また、ｎ型コンタクト層５０９は、メサ構造より平面視で小さい面積のメサ形状とされている。ｎ型コンタクト層５０９も、例えば円筒形状とされている。このように、実施の形態５における受光素子も、反転型アバランシェフォトダイオードである。

また、ｎ型コンタクト層５０９には、ｎ電極配線５１０が接続して形成されている。ｎ電極配線５１０は、上述したメサ構造の側部に、絶縁分離層５１１を介して形成されている。ｎ電極配線５１０は、絶縁分離層５１１により、メサ構造とは絶縁分離して形成されている。なお、絶縁分離層５１１は、メサ構造の周囲を全て覆う状態に形成してもよい。また、ｎ電極配線５１０は、基板５０１を貫通している貫通配線５１２に接続し、貫通配線５１２は、基板５０１の裏面に形成されているｎ電極５１３に接続している。加えて、ｎ電極５１３は、ｎ電極パッド５１４を備えている。また、ｎ型コンタクト層５０９の上にｎ電極配線５１０を介して支持基板６０１が貼り付けられて形成されている。

なお、アンドープ光吸収層５０４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５０９，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，ｎ型電界制御層５０７，およびエッジ電界緩和層５０８は、アンドープ光吸収層５０４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。

上述した構成については、前述した実施の形態４と同様である。実施の形態５では、基板５０１の裏面に、ｐ型コンタクト層５０２にまで貫通する開口部５０１ａを形成している。また、開口部５０１ａ内で、ｐ型コンタクト層５０２に接続するｐ電極８１７を形成している。接続するｐ電極８１７は、開口部５０１ａ内で、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側でｐ型コンタクト層５０２の基板５０１側に形成されている。また、ｐ電極８１７は、ｐ電極パッド８１８を備えている。実施の形態５においても、ｐ電極８１７は、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側の基板５０１の裏面側に形成されて基板５０１を貫通してｐ型コンタクト層５０９に接続している。実施の形態５では、開口部５０１ａで基板５０１を貫通し、ｐ電極８１７がｐ型コンタクト層５０２に接続している。

また、ｐ電極８１７は、リング状に形成され、開口部８１７ａを備えている。前述したように、ｐ電極８１７は、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域より外側に形成されており、開口部８１７ａは、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域に対応して形成されている。開口部８１７ａとｎ型コンタクト層５０９とは、ｐ型コンタクト層５０２，ｐ型光吸収層５０３，アンドープ光吸収層５０４，ｐ型電界制御層５０５，増倍層５０６，およびｎ型電界制御層５０７を挟んで対向配置されている。

実施の形態５における受光素子では、基板５０１の裏面側に、ｎ電極５１３およびｐ電極８１７を備える構成としている。また、基板５０１の裏面側より、開口部８１７ａを通して光が入射する。

実施の形態５では、ｐ電極８１７をｐ型コンタクト層５０９に接続するために基板５０１に形成する貫通孔として、ｐ電極８１７が全て収容される大面積の開口部５０１ａを形成している。開口部５０１ａは、直径１００〜２００μｍ程度に形成すればよい。開口部５０１ａは、この中央部にｎ型電界制御層５０７に対応する領域のｐ型コンタクト層５０９にまで貫通（到達）していればよく、高い位置精度で形成する必要がない。

一方、高い位置精度および高い寸法精度が要求される開口部８１７ａは、ｐ電極８１７の形成時のリソグラフィーにおける露光精度により決定されるため、高い位置精度および高い寸法精度で形成することが可能である。また、貫通配線５１２およびこれ形成される貫通孔は、受光素子の高周波特性には影響を与えないため、大きく形成されていても問題はない。実施の形態５によれば、ｐ電極８１７をｐ型コンタクト層５０９に接続するために基板５０１に形成する貫通孔を、上述したような大面積の開口部５０１ａとしているので、プロセスマージンが向上し、高い歩留まりで受光素子が製造できるようになる。

また、実施の形態５においても、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域に対応する基板５０１（ｐ型コンタクト層５０２）の裏面側の領域には、ｐ電極８１７が形成されていないので、全ての入射光が、ｎ型コンタクト層５０９の形成領域に導入される。従って、実施の形態５においても、前述した実施の形態１〜４と同様に、電極の存在により受光素子における光電変換効率を低下させることがない。

ところで、図９に示すように受光素子を構成してもよい。図９は、受光素子の構成を模式的に示す断面図である。この受光素子は、例えば、支持基板９０１と、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて支持基板９０１の上に形成されたｐ型コンタクト層９０２とを備える。また、この受光素子では、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型コンタクト層９０２の上に形成されたｐ型光吸収層９０３と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型光吸収層９０３の上に形成されたアンドープ光吸収層９０４とを備える。この受光素子では、これら２層で光吸収層を構成するＭＩＣ構造としている。

また、この受光素子は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてアンドープ光吸収層９０４の上に形成されたｐ型電界制御層９０５と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｐ型電界制御層９０５の上に形成された増倍層９０６と、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて増倍層９０６の上に形成されたｎ型電界制御層９０７と、アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されてｎ型電界制御層９０７の上に形成されたエッジ電界緩和層９０８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エッジ電界緩和層９０８の上に形成されたｎ型コンタクト層９０９を備える。ｐ型コンタクト層９０２，ｐ型光吸収層９０３，アンドープ光吸収層９０４，ｐ型電界制御層９０５，増倍層９０６，ｎ型電界制御層９０７，およびエッジ電界緩和層９０８は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、円筒形状のメサ構造とされている。また、ｎ型コンタクト層９０９は、メサ構造より平面視で小さい面積のメサ形状とされている。ｎ型コンタクト層９０９も、例えば円筒形状とされている。このように、この受光素子も、反転型アバランシェフォトダイオードである。

なお、アンドープ光吸収層９０４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９０９，ｐ型電界制御層９０５，増倍層９０６，ｎ型電界制御層９０７，およびエッジ電界緩和層９０８は、アンドープ光吸収層９０４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。

上述した構成については、前述した実施の形態４と同様である。この受光素子では、まず、ｎ型コンタクト層９０９には、ｎ電極配線９１０が接続して形成されている。ｎ電極配線９１０は、上述したメサ構造の側部に、絶縁分離層９１１を介して形成され、一端がｎ型コンタクト層９０９にオーミック接続している。ｎ電極９１０は、ｎ型コンタクト層９０９の上に、受光領域となる開口部９１０ａを備えている。また、ｎ電極配線９１０は、絶縁分離層９１１により、メサ構造とは絶縁分離して形成されている。なお、絶縁分離層９１１は、メサ構造の周囲を全て覆う状態に形成してもよい。

また、ｎ電極配線９１０の他端が、支持基板９０１の上に延在し、この延在部にｎ電極パッド９１４を備えている。また、支持基板９０１とｐ型コンタクト層９０２との間に、ｐ型コンタクト層９０２に接続するｐ電極９１７を形成している。ｐ電極９１７は、ｐ電極パッド９１８を備えている。

この受光素子では、支持基板９０１の素子形成側に、ｎ電極９１１およびｐ電極９１７を備える構成としている。また、ｎ型コンタクト層９０９の側より、開口部９１０ａを通して光が入射する。このため、開口部９１０ａ周囲のｎ電極９１１の存在により、入射光の一部が遮られることになる。

上記受光素子は、半絶縁性のＩｎＰ基板の上に、Ｓｉを不純物として導入したｎ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｎ型コンタクト層９０９）、アンドープのＩｎＡｌＡｓ（エッジ電界緩和層９０８）、Ｓｉを不純物として導入したｎ型のＩｎＰ（ｎ型電界制御層９０７）、アンドープのＩｎＡｌＡｓ（増倍層９０６）、Ｚｎを不純物として導入したｐ型のＩｎＡｌＡｓ（ｐ型電界制御層９０５）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（アンドープ光吸収層９０４）、Ｚｎを不純物として導入したｐ型のＩｎＧａＡｓ（ｐ型光吸収層９０３）、およびＺｎを不純物として導入したｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｐ型コンタクト層９０２）をエピタキシャル成長により順次堆積する。これらは、有機金属気相成長法により形成すればよい。

次に、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層の上に、ｐ電極９１７となる電極層を形成する。次に、電極層の上に支持基板９０１を貼り付ける。支持基板９０１は、例えば、単結晶シリコンから構成すればよい。このようにして支持基板９０１を貼り付けた後、ＩｎＰ基板を除去する。

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、まず、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの層を所望のメサ形状にパターニングしてｎ型コンタクト層９０９を形成する。次に、ｎ型コンタクト層９０９より広い面積のメサ形状に、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ，ｐ型のＩｎＧａＡｓ，アンドープのＩｎＧａＡｓ，ｐ型のＩｎＡｌＡｓ，アンドープのＩｎＡｌＡｓ，ｎ型のＩｎＰ，およびアンドープのＩｎＡｌＡｓをパターニングする。このパターニングにより、ｎ型コンタクト層９０９より平面視で大きな面積のメサ構造とした、ｐ型コンタクト層９０２，ｐ型光吸収層９０３，アンドープ光吸収層９０４，ｐ型電界制御層９０５，増倍層９０６，ｎ型電界制御層９０７，エッジ電界緩和層９０８を形成する。

次に、上記メサ構造の側部に絶縁分離層９１１を形成した後、ｎ電極配線９１０，ｎ電極パッド９１４を形成する。ｎ電極配線９１０の形成では、開口部９１０ａも形成する。また、上記電極層をパターニングしてｐ電極９１７およびｐ電極パッド９１８を形成する。

この受光素子では、支持基板９０１とｐ型コンタクト層９０２との間に、ｐ型コンタクト層９０２に接続するｐ電極９１７を形成しているので、ｐ型光吸収層９０３からｐ電極９１７までの距離は、ｐ型コンタクト層９０２の層厚に等しいものとなる。このため、光吸収層で発生した正孔のｐ電極９１７までの移動距離は、ｐ型コンタクト層９０２の層厚に等しいものとなる。この結果、この受光素子においても、光吸収層からｐ電極９１７までの抵抗は、１Ω以下と無視できる程度にまで小さくなる。このように、上述した受光素子においても、ｐ型コンタクト層９０２を実質的に低抵抗化することができき、反転型のアバランシェフォトダイオードにおいて、帯域幅が制限されることなく、さらに高速に動作させることができるようになる。

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、上述した実施の形態では、メサ構造を円筒形状としたがこれに限るものではなく、角柱形状としてもよく様々な形態が可能である。また、ｎ型コンタクト層のメサ形状も同様である。また、ｐ電極に形成する開口部および開口部周囲のｐ電極の形状は、ｎ型コンタクト層の平面視の形状に対応させればよい。

また、上述では、増倍層をＩｎＡｌＡｓから構成したが、これに限るものではなく、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，およびＳｉなどの他の半導体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、電極材料としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いる場合について説明したが、これに限るものではなく、例えばＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｔｉ／ＰｔやＭｏ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｔｉなどの金属、またはＡｕＺｎＮｉなどの合金系でもよい。エッジ電界緩和層としては、ＩｎＰなどを用いてもよい。絶縁分離層としてはＢＣＢ／ＳｉＮを用いたが、ポリイミドやＳｉＯ₂、またこれらの多層構造としてもよい。また支持基板としてシリコン基板を用いるようにしたが、これに限るものではなく、他の材料からなる基板を用いるようにしてもよい。

また、更に受光素子の高感度化を実現するため、入射面の鏡面化および誘電体多層膜による反射防止膜の形成により光の入射端での結合損失の低下を図るようにしてもよい。また、ミラーによる光路長の拡大などの工夫を施してもよいことは、いうまでもない。また、各層の成長方法として有機金属気相成長法を用いたが、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。また、上述では、アバランシェフォトダイオードを例としたが、一般的なＰＩＮフォトダイオード、ＭＩＣフォトダイオード、単一キャリア走行フォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）など、他のフォトダイオードに適応してもよい。

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…貫通配線（接続部）、１０９…ｐ電極、１２１…範囲。

Claims (6)

1. 半絶縁性のＩｎＰから構成された基板と、
   ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて前記基板の主表面上に形成されたｐ型コンタクト層と、
   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ｎ型コンタクト層に接続して形成されたｎ電極と、
   前記ｎ型コンタクト層の形成領域より外側の前記基板の裏面側に形成されて前記基板を貫通して前記ｐ型コンタクト層に接続するｐ電極と
   を少なくとも備え、
   前記ｎ型コンタクト層より下層の各層は、所望とするメサ構造とされ、
   前記ｎ型コンタクト層は、前記メサ構造より小さい面積に形成され、
   前記ｐ電極は、前記ｐ型コンタクト層との接続部が前記ｎ型コンタクト層の形成領域より外側で前記メサ構造の形成領域より内側の範囲に形成され、
   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、
   前記ｐ電極が形成されておらず且つ前記ｎ型コンタクト層に向かい合う前記基板の裏面側から光が入射される
   ことを特徴とする受光素子。
2. 請求項１記載の受光素子において、
   前記ｎ電極は、前記ｎ型コンタクト層の全域に形成されていることを特徴とする受光素子。
3. 請求項１または２記載の受光素子において、
   前記ｎ電極は、前記基板の裏面側にまで引き出されていることを特徴とする受光素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子において、
   前記ｎ型コンタクト層の上に形成された支持基板を備えることを特徴とする受光素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子において、
   前記基板の裏面に開口部を備え、
   前記ｐ電極は、前記開口部の領域内に形成されていることを特徴とする受光素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子において、
   前記ｐ電極はリング形状とされていることを特徴とする受光素子。

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