JP5705859B2 - アバランシェタイプのフォトダイオード - Google Patents

Description

本発明は、表面光入射型アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に関する。

アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）とは、光ファイバーネットワーク内で検出器として、または受光器として使用される半導体部品のことである。このフォトダイオードは、電子と正孔のペアとしてフォトンを吸収したり、電荷キャリアを生成したりすることにより、光信号を電気信号に変換する。このような変換は、フォトンのエネルギー未満のバンドギャップを有する半導体層内で行われる。電荷キャリアはその後、部品内の増倍層である第２層内の電界内で、更に電荷キャリアを形成するようなエネルギーを有するまで加速される。これら電荷キャリアは、同じように更に加速され、アバランシェ特性の過程で増倍された状態となる。このような由来から、このダイオードには「アバランシェフォトダイオード」なる名称が付けられている。

この部品には上から光が入射するようになっており、部品は約３０μｍの大きさの丸い開口部を有し、その開口部を通して光が部品に入射する。この部品の下側表面は、通常支持体に溶着されている。この部品の製造は、基本的には半導体基板の一方の表面層内で行われる。基板および部品のこの表面は、表の表面となっており、他方の表面は、部品が完成したときに研磨され、裏の表面を形成する。

ＡＰＤの重要なパラメータは、フォトンの一部だけが吸収される場合に、どれだけ良好に入射光を吸収できるかということである。この吸収されたフォトンは、電流に変換される。

課題は、他のパラメータと妥協することなく、効率的な吸収を達成することにある。吸収層をより厚くし、フォトンがより長い距離にわたって走行し、その間でより多くのフォトンを吸収することによって吸収率を高めるようにすることができるが、このように厚くすると、バンド幅が狭くなる。その理由は、電荷キャリアがフォトダイオードの空乏エリアとして知られるエリアを通って輸送されるのにより長い時間が必要となるからである。更に、吸収層を共振キャビティ内に置き、吸収層を通過するように、光を前後に反射させることにより、吸収率を高めることもできる。これによって、広いスペクトルにわたってではなく、狭い波長間隔でのみ効率的な吸収が生じる。

本発明は、表面光入射型ＡＰＤ内での光の吸収を高めることに関する課題を解決するものである。

従って、本発明は、入射光のための開口部を備え、増倍層、電界制御層、吸収層を含む、前記開口部から下方に多数の種々の半導体層を備え、前記吸収層が光を吸収するように配置されている表面光入射型アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に関する。このフォトダイオードは、前記開口部から前記吸収層を通過したフォトンを反射し、前記吸収層に戻すように配置されている少なくとも１つのブラッグミラーが前記吸収層の下に配置されることを特徴とする、表面光入射型アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に関する。

本発明は、添付図面に示された発明の実施形態に一部関連させ、以下、より詳細に説明する。

従来技術に係わるＡＤＰを示す。 第１実施形態に係わる本発明を実施したＡＤＰを示す。 第２実施形態に係わる本発明を実施したＡＤＰを示す。

図１は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料で製造されたＡＰＤの一例の断面スケッチ図を示す。かかるＡＰＤを製造するために、まずＭＯＶＰＥ（金属有機蒸気相エピタキシー）により、基板１２上にベース構造体を成長させる。ここで、ベース構造体は図１内の層１１、１０、９および８から構成され、この成長後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を使って層８の中へ約６０ｎｍの大きさの高さ部分がエッチングされる。参照番号１１の層は、厚さが約５００ｎｍのｎ+ドープされたＩｎＰのバッファ層である。このバッファ層の目的は、できるだけ欠陥のない連続した構造体を成長させるためのベースとなることである。層１０は、フォトンが吸収される約１μｍの厚さのＩｎＧａＡｓの吸収層である。層９は、厚さが約１００ｎｍのＩｎＧａＡｓからＩｎＰまでの連続遷移層であり、この層では、Ｇａが徐々にＩｎに置き換えられ、Ａｓが徐々にＰに置き換えられている。この層９の目的は、電荷キャリアに対するバリアを形成するバンドギャップ内の不連続性を解消することである。この層８は厚さが約２００ｎｍの電界制御層であり、この層の目的は電界を吸収層まで引き下げることにある。

第２のエピタキシープロセスにより成長された、参照番号６で示される厚さ２.１μｍのＩｎＰ層内に、窒化シリコンのマスク３を通した亜鉛拡散によりｐドープされた層が構成される。この亜鉛拡散は、エピタキシー反応器内で引き続き実行され、ＩｎＰ内まで下方に約１.８μｍ延び、ｐｎ遷移部のｐ側を画定し、同時にコンタクト層を構成し、このコンタクト層にはｐ側の半導体材料が電気接触されている。ｐドープされた領域は、参照番号１７で示されており、参照番号７を有する層は、層６のうちのドープされていない部分であり、増倍層を構成している。

層８でのエッチングによる高低化の目的は、部品の中心部分と比較して、端部における増倍層内の電界を低下させ、端部のブレークダウンを回避することにある。そうしない場合、ｐドープされた領域の曲率半径によりこの端部でブレークダウンが生じることになる。

部品上に約２００ｎｍの厚さの窒化シリコンの反射防止層４が引き続き堆積され、この反射防止層内に開口部が形成され、金属蒸気およびリフトオフにより、この開口部からコネクタ１への電気コンタクト５が形成される。コネクタ１は、厚さが約１０／３０／１００ｎｍの、底部から上方への順でＡｕ／Ｚｎ／Ａｕから成る。チップを支持体に接続するこのコンタクトからの容量の寄与分を低減するために、厚さが５μｍのポリマーの電気絶縁材料の層２が堆積され、この層の上にコネクタ１が配置されている。コネクタ１は、約５０／１５０ｎｍの厚さを有するＴｉＷ／Ａｕのスパッタリングされたベース上に電気メッキされている。このコネクタは、リソグラフィを用い、メッキを行う開口部と共に画定される。

その後、酸化アルミニウムにより裏側表面、すなわち部品の下方表面が研削され、塩素系の研磨によって約１２０μｍの厚さまで研磨され、その後前記裏側表面は、スパッタリングにより厚さ５０／１５０ｎｍのＴｉＷ／Ａｕの層１３で被覆される。

部品が通常の作動モードにあるとき、この部品は逆方向の張力を受ける。このことは、部品は部品のｎ側、すなわち裏の側に接続された正のポテンシャルを有し、ｐ側、すなわち表の側に接続された負のポテンシャルを有することを意味する。増倍層７、電界制御層８、層９および吸収層１０は、この場合は空乏化する。この部品に入射し、吸収層で吸収されるフォトンは、電子−正孔の１つのペアを発生し、このペアは電界によって掃き出され、光電流を発生する。正孔はｐコンタクトに向かって掃き出されて、増倍層に達する。この層で電界は部品内で最大となっている。これら正孔は、それらの高エネルギーによって加速され、より多数の電荷キャリアを発生する。これら電荷キャリアもまた加速され、アバランシェ（雪崩）の性質を有する過程で更に電荷キャリアを発生させる。このように部品からの光電流の増倍が行われる。

１つのフォトンが吸収層に吸収されるには、フォトンは吸収層内のバンドギャップよりも高いエネルギーを有していなければならない。そのような高いエネルギーを有していない場合には、影響を受けることなく部品を通過して直線的に輸送されるだけである。材料は、この場合入射光に対して透明である。この実施形態における吸収層は、ＩｎＧａＡｓから構成されているので、フォトンはＩｎＧａＡｓのバンドギャップ、すなわち約０.７５ｅＶよりも高いエネルギーを有していなければならないことを意味する。このエネルギーは、約１６５０ｎｍよりも短い波長を有する光に対応するので、商用光ファイバーネットワークで使用されている波長をカバーしている。

これまで、図１を参照して説明してきた技術は、基本的には従来の技術に属す。

本発明は、フォトンの吸収率をかなり高めるが、同時にバンド幅は悪影響を受けることがない。すなわちバンド幅は狭くならない。

本発明によれば、吸収層１０の下には、開口部１６から吸収層を通過したフォトンを反射し、再び吸収層に戻すように配置された少なくとも１つのブラッグミラー１４が存在する。

好ましい一実施形態によれば、ブラッグミラーは、ＩｎＰ層とＡｌＩｎＧａＡｓ層とが交互に配置された周期的構造体から構成されている。

別の好ましい実施形態によれば、前記ＩｎＰ層およびＡｌＩｎＧａＡｓ層の厚さは、所定の波長の光を反射するような値になっている。

ブラッグミラー１４は、光が吸収層１０をもう１回通過するように、構造体内に吸収されなかった光を反射する。このブラッグミラー１４は平面状であり、一定の厚さを有するＩｎＰ層とＡｌＩｎＧａＡｓ層とが交互に配置された周期的構造体から構成されている。これら層の厚さは、ミラーが所望する波長の間隔内の光を反射するような値となっている。このブラッグミラーは、例えばＩｎＰ層とＡｌＩｎＧａＡｓ層との１０回の繰り返しから構成できる。

ＩｎＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓの層は、ＭＯＶＰＥを使用して成長される。ＩｎＰと、これに関連する材料はＩＩＩ−Ｖ半導体であり、半分のＩＩＩ族物質と半分のＶ族物質とから構成されており、結晶内のＩＩＩ族のサイトとＶ族のサイトをそれぞれ占めている。ＩｎＰの場合、Ｉｎが唯一のＩＩＩ族物質であり、Ａｓが唯一のＶ族物質である。ＡｌＩｎＧａＡｓのブラッグミラー１４では、ＩＩＩ族の物質の原子パーセントの比率は、Ｉｎが５３％であり、Ｇａが４２％であり、Ａｌが５％であり、一方Ａｓが化合物内の唯一のＶ族物質である。ＩｎＰは１２１.５ｎｍの厚さの、ＡｌＩｎＧａＡｓは１１０ｎｍの厚さの１０回の繰り返しを有するミラーは、理論的には１５５１.５ｎｍの波長で最大反射率を有し、内部において反射率が５０％よりも大きい幅で定義される１１０ｎｍのスペクトル幅を有する。理論的計算でも、約６２％の最大反射率が得られる。これらの値は、正確な期待値というよりも概算値である。その理由は、計算値は、他のファクターのうちでＡｌＩｎＧａＡｓ層に使用される屈折率に大きく依存しているからである。

ブラッグミラーの反射率スペクトルは、ミラーを構成する層の周期的長さに大きく影響されるので、周期がより長い場合、スペクトルは長波長の方向に変位し、逆の場合も同様である。周期的長さとは、前記層の１つのペア、例えばＩｎＰの１層とＡｌＩｎＧａＡｓの１層のペアの厚さのことである。ＭＯＶＰＥプロセスで生じるばらつきは、ミラーのスペクトル内のばらつきも生じさせ、この結果、ミラーは必要とされる全波長間隔をカバーできなくなる。

この問題は、本発明の極めて好ましい実施形態によって解決される。本発明によれば、一方が他方の上に載った状態の少なくとも２つのブラッグミラー１４、１５が存在し、これらブラッグミラーは異なる反射スペクトルを有し、２つのブラッグミラーの反射スペクトルが共に１つのより広い反射スペクトルを与えるようになっている。

図３には、一方が他方の上に載った２つのブラッグミラー１４、１５が存在する構造が示されている。これら２つのブラッグミラーは異なる反射スペクトルを有し、２つのブラッグミラーの反射スペクトルが、共に１つのより広い反射スペクトルを与えるようになっている。

これら２つのブラッグミラー１４、１５は、それらの構造体内に多少異なる周期的長さを有し、その結果、これら層は、高い反射率を有するより広い間隔をカバーする。

好ましい一実施形態によれば、２つのブラッグミラー１４、１５のうちの１つは、唯一のブラッグミラーを有するフォトダイオードよりも短い所定の長さの周期的長さを有し、ブラッグミラー１４、１５のうちの他方のミラーは、唯一のブラッグミラーを有するフォトダイオードよりも長い前記所定の長さの周期的長さを有する。

一実施形態では、これらブラッグミラーは、一方の周期的長さが２.５％短く、他方のミラーの周期的長さが２.５％長くなるように周期的長さが異なっている。１つのブラッグミラーだけを使用するときに生じる２３１.５ｎｍの周期的長さの代わりに、それぞれ２４３ｎｍと２２０.５ｎｍの長さが使用される。より短い周期的長さを有するブラッグミラーは、１４５０〜１５７０ｎｍの波長レンジを与えるが、より長い周期的長さを有するブラッグミラーは、１５３０〜１６５０ｎｍの波長レンジを与える。この場合の反射率は、約５０％である。

以上で、多数の実施形態および材料について説明した。

しかしながら本発明は、ＡＰＤの部品層の材料および厚さの選択を変えることができる。したがって、本発明は特定のＡＰＤだけに限定されない。

したがって、本発明は特許請求の範囲に記載された範囲内で変更できるので、これまで特定した実施形態だけに限定されると見なすべきではない。

Claims (1)

1. 入射光のための開口部（１６）を備え、倍増層（７）、電界制御層（８）、吸収層（１０）を含み、前記開口部から下方に多数の種々の半導体層を備え、前記吸収層が光を吸収するように配置されており、前記開口部から前記吸収層（１０）を通過したフォトンを反射し、前記吸収層に戻すように配置されている少なくとも１つのブラッグミラー（１４）が前記吸収層（１０）の下に存在する、表面光入射型アバランシュフォトダイオード（ＡＰＤ）であって、
   前記ブラッグミラー（１４）は、ＩｎＰ層とＡｌＩｎＧａＡｓ層とが交互に配置された周期的構造体から構成されており、前記ＩｎＰ層の厚さおよび前記ＡｌＩｎＧａＡｓ層の厚さは、所定の波長間隔内の光を反射するようになっており、
   一方が他方の上に載るようになっている、前記ブラッグミラー（１４）を含む少なくとも２つのブラッグミラー（１４、１５）が存在し、前記少なくとも２つのブラッグミラーのうちの１つの周期的長さは、他のブラッグミラーの周期的長さと異なり、
   前記少なくとも２つのブラッグミラーは異なる反射スペクトルを有し、前記少なくとも２つのブラッグミラーの反射スペクトルは共に、より広い反射スペクトルを生じさせるように配列され、
   前記少なくとも２つのブラッグミラー（１４、１５）のうちの一方は、１つのブラッグミラーだけを有するフォトダイオードよりも２．５％短い周期的長さを有し、他方のブラッグミラー（１４、１５）は、１つのブラッグミラーだけを有するフォトダイオードよりも２．５％長い周期的長さを有する
   ことを特徴とする表面光入射型アバランシュフォトダイオード（ＡＰＤ）。

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