JP6303998B2 - アバランシェフォトダイオードの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ｐ型電界緩和層に添加された炭素の活性化率を改善することができるアバランシェフォトダイオードの製造方法に関する。
局所的な高濃度ｐ型半導体層を必要とする電子デバイスや光デバイスには、低拡散である炭素がドーパントとしてしばしば用いられる。しかし、炭素ドープ時に結晶中に水素が取り込まれるため、炭素の活性化率が低下するという問題がある。これに対して、ヘテロバイポーラトランジスタを代表とする電子デバイスでは結晶成長中の炉内でアニールを行うことで炭素ドープ層の活性化率を改善し、良好な特性や信頼性を得ることができる（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。
一方、光デバイスに炭素ドープ層を用いた例として、低雑音かつ高感度な電子増倍型アバランシェフォトダイオードが実現されている（例えば、非特許文献２参照）。アバランシェモードを制御するために炭素を高濃度にドープしたｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層が用いられており、一般的なｐ型ドーパントであるＺｎやＢｅをドープした場合と比べて特性の面から優位性が示されている。しかし、炭素ドープ層中の水素による電界緩和層中の炭素の活性化率低下が信頼性を悪化させる懸念がある。そこで、炭素をドープしたｐ型半導体層の活性化率を改善するために、電界緩和層の成長後に高温でＩｎＧａＡｓ光吸収層を成長するシーケンスが望ましい。例えば、図６に示すように、電界緩和層の成長と光吸収層の成長との間でアニールを行うことが考えられる。この際、電界緩和層の表面をＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどで覆うことで昇温時の熱ダメージを緩和することが望ましい（例えば、特許文献２参照）。
H. Ito et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol.35 (1996), pp.6139-6144
IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 20, NO. 6, MARCH 15, 2008
しかし、図７に示すように、上記の条件ではアニール時間が長くなるにつれて逆に電界緩和層中の炭素の活性化率が悪くなる。アニール時間が長くなるにつれて水素濃度の上昇が見られており、これは直後の光吸収層成長時に装置内に導入したＡｓＨ３などのＶ族原料によるものだと考えられる。なぜならば６００℃付近では不活性ガスである水素は分解することは無く、装置内に導入された水素が結晶中に取り込まれることは考えにくい。一方、アニール時にＶ族ガスを導入していないため電界緩和層に熱ダメージが加わり、アニール時間が長くなるにつれてこのダメージは大きくなる。このため、ＡｓＨ３から分解した水素ラジカルが電界緩和層中に取り込まれやすくなると予想される。アニール時間が長くなるにつれて炭素の活性化率が悪化していく原因はこのような熱ダメージによる結晶性の悪化と関係があると考えられる。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はｐ型電界緩和層に添加された炭素の活性化率を改善することができるアバランシェフォトダイオードの製造方法を得るものである。
本発明に係るアバランシェフォトダイオードの製造方法は、基板上に、ｐ型ドーパントとして炭素が添加され、組成としてＡｌを含むｐ型電界緩和層を形成する工程と、前記ｐ型電界緩和層上にキャップ層を形成する工程と、前記キャップ層上に光吸収層を形成する工程とを備え、前記キャップ層の成長温度から前記光吸収層の成長温度までの昇温工程を、Ｖ族原料を導入せずに不活性ガス雰囲気で行うことを特徴とする。
本発明では、キャップ層の成長温度から光吸収層の成長温度までの昇温工程を、Ｖ族原料を導入せずに不活性ガス雰囲気で行う。これにより、昇温工程の後の光吸収層の成長時にＶ族原料起因による電界緩和層への水素取り込みが発生するのを防ぐことができる。この結果、電界緩和層に添加された炭素の活性化率を改善することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層３、ｉ型ＡｌＩｎＡｓ増倍層４、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層５、ＩｎＧａＡｓキャップ層６、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７、及びｎ−型ＩｎＰ窓層８が順に積層されている。ｎ−型ＩｎＰ窓層８の中にｐ型領域９が形成されている。ｐ型領域９上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０が形成されている。
ｎ型ＩｎＰバッファ層２の厚みは０．１〜１μｍ、キャリア濃度は３〜５×１０１８ｃｍ−３である。ｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層３の厚みは０．１〜０．５μｍ、キャリア濃度は３〜５×１０１８ｃｍ−３である。ｉ型ＡｌＩｎＡｓ増倍層４の厚みは０．１〜０．５μｍである。ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層５の厚みは０．０５〜０．１５μｍ、キャリア濃度は０．５〜１×１０１８ｃｍ−３である。ＩｎＧａＡｓキャップ層６の厚みは０．０５〜０．５μｍである。ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７の厚みは１〜２μｍ、キャリア濃度は１〜５×１０１５ｃｍ−３である。ｎ−型ＩｎＰ窓層８の厚みは０．５〜１μｍ、キャリア濃度は０．０１〜０．１×１０１５ｃｍ−３である。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０の厚みは０．１〜０．５μｍ、キャリア濃度は１〜５×１０１８ｃｍ−３である。
続いて、本発明の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明する。各半導体層の成長方法は有機金属気相成長法（MOVPE: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）や分子線エピタキシャル成長法（MBE: Molecular Beam Epitaxy）などである。図２は、本発明の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの結晶成長シーケンスを示す図である。
まず、成長温度６３０℃でｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層３、ｉ型ＡｌＩｎＡｓ増倍層４を順に成長させる。次に、成長温度を６００℃付近まで降温し、炭素ドープのｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層５を成長させる。次に、昇温時のダメージを保護するために、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層５と同じ成長温度でＩｎＧａＡｓキャップ層６を成長させる。次に、６４０℃まで成長温度を昇温する。昇温後にｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７、ｎ−型ＩｎＰ窓層８、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０を順に成長させる。
ＩｎＧａＡｓキャップ層６の成長温度６００℃からｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７の成長温度６４０℃までの昇温工程を、Ｖ族原料であるＡｓＨ３を装置内に導入せずに水素などの不活性ガス雰囲気で行う。
図３は、昇温アニール温度と電界緩和層の炭素活性化率及び電界緩和層中の水素濃度との相関を示す図である。昇温工程の不活性ガス雰囲気でのアニール効果により電界緩和層にドープされた炭素の活性化率が改善される。炭素の活性化率は、昇温時間ではなく、昇温アニール温度で変化する。昇温アニール温度は光吸収層の成長温度と同じになる。昇温アニール温度が６５０℃付近で炭素の活性化率は飽和し、昇温アニール温度が６６０℃の場合には炭素の活性化率はそのままで電界緩和層中の水素濃度がやや上昇する。これは昇温アニール温度を高くすることで電界緩和層への熱ダメージがトレードオフとして存在していることを示唆している。光吸収層の成長温度を高温にしすぎても結晶性が保てないため、炭素の活性化率や電界緩和層の水素濃度を考慮して、昇温アニール温度を６４０〜６６０℃付近に設定することが好ましい。
６４０〜６６０℃の温度範囲でアニール条件を変えた場合の電界緩和層中の炭素濃度と水素濃度をＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）で分析した結果を表１に示す。炭素ドープ時には炭素だけでなく、水素も同時に取り込まれ、その量はアニールをすることで通常は減少していく。しかし、成長シーケンスでアニール直後に結晶成長を行うとＶ族原料によって下部の炭素ドーピング層中の水素濃度は上昇することがある。特にアニールによるダメージを受けている場合はこれが顕著に現れるため、本実施の形態の温度域でも水素濃度の上昇が見られている。水素濃度が増えることや、アニールを加えすぎることでも電界緩和層の中の炭素活性化率は減少することが予想されるため、昇温工程の後の電界緩和層中に含まれる炭素に対する水素の比（Ｈ／Ｃ比）が０．１０〜０．１３になるように調整することが望ましい。
図４は、昇温工程でＩｎＧａＡｓ吸収層の成長温度まで昇温した後にアニールを実施した場合の表面状態を示す図である。図５は、昇温工程でＩｎＧａＡｓ吸収層の成長温度まで昇温した後にアニールを実施した場合の成長シーケンスを示す図である。時間が経つにつれて表面に見られる凹凸が増えていくことが分かる。これはＶ族が結晶表面から抜けていることが原因と考えられる。アニール時間を長くすることで活性化率だけでなく表面状態の悪化も懸念される。従って、昇温工程でｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７の成長温度まで昇温した後はアニールを実施せず、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７の成長を開始することが望ましい。
以上説明したように、本実施の形態では、ＩｎＧａＡｓキャップ層６の成長温度６００℃からｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７の成長温度６４０℃までの昇温工程を、Ｖ族原料であるＡｓＨ３を装置内に導入せずに水素などの不活性ガス雰囲気で行う。これにより、昇温工程の後のｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７の成長時にＡｓＨ３起因によるｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層５への水素取り込みが発生するのを防ぐことができる。この結果、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層５に添加された炭素の活性化率を改善することができる。
なお、電界緩和層の材料はＡｌＩｎＡｓに限らず、ＡｌＧａＩｎＡｓでもよい。また単層でなくても積層や超格子構造でもよい。キャップ層の成長温度は吸収層成長温度よりも低ければよいが、電界緩和層の成長温度よりも高いことが望ましい。キャップ層の材料はＩｎＧａＡｓに限らず、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、又はＡｌを結晶組成に含んだ結晶材料でもよい。光吸収層の材料はＩｎＧａＡｓに限らず、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＩｎＧａＡｓＳｂなどでもよい。コンタクト層は不純物によるドーピングに限らず、Ｚｎ拡散によって形成してもよい。基板はｎ型ＩｎＰ基板に限らず、半絶縁性基板上に上記と同じフロー成長させてもよい。また、ダイオードの積層構造を反転させてｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０から成長させた場合、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層５の成長後の層（例えばｉ型ＡｌＩｎＡｓ増倍層４など）まで成長温度を昇温する際に同様のシーケンスを組む事によって同じ効果が得られる。
１ ｎ型ＩｎＰ基板（基板）、５ ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層（ｐ型電界緩和層）、６ ＩｎＧａＡｓキャップ層（キャップ層）、７ ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層（光吸収層）
Claims (3)
- 基板上に、ｐ型ドーパントとして炭素が添加され、組成としてＡｌを含むｐ型電界緩和層を形成する工程と、
前記ｐ型電界緩和層上にキャップ層を形成する工程と、
前記キャップ層上に光吸収層を形成する工程とを備え、
前記キャップ層の成長温度から前記光吸収層の成長温度までの昇温工程を、Ｖ族原料を導入せずに不活性ガス雰囲気で行うことを特徴とするアバランシェフォトダイオードの製造方法。 - 前記昇温工程の後の前記ｐ型電界緩和層中に含まれる炭素に対する水素の比が０．１０〜０．１３であることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。
- 前記昇温工程で前記光吸収層の成長温度まで昇温した後はアニールを実施せず、前記光吸収層の成長を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。
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