JPS63281480A - 半導体受光素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体受光素子及びその製造方法

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JPS63281480A
JPS63281480A JP62114590A JP11459087A JPS63281480A JP S63281480 A JPS63281480 A JP S63281480A JP 62114590 A JP62114590 A JP 62114590A JP 11459087 A JP11459087 A JP 11459087A JP S63281480 A JPS63281480 A JP S63281480A
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JP
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layer
junction
inp
light
semiconductor
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JP62114590A
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English (en)
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Ichiro Fujiwara
一郎 藤原
Hiroshi Matsuda
広志 松田
Kazuyuki Nagatsuma
一之 長妻
Kazuhiro Ito
和弘 伊藤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアバランシェホトダイオード(以下APDとい
う。)に係わり、特に長波長光通信システムに好適な適
切な動作電圧を有する、低雑音APDに関する。
〔従来の技術〕
一般に化合物半導体材料を用いた長波長APDでは禁止
帯幅が小さい半導体層で光を吸収し、禁止帯幅が大きい
半導体層で光励起キャリアを増倍するS A M (S
eparated Absorption andMu
] tiplication)構造が採用されている。
また、低雑音APDを実現するためには電子と正孔のイ
オン化係数比を大きくする必要がある。イオン化係数比
はp”n接合の最大電界強度に依存し、最大電界強度が
低いほど、イオン化係数比は大きくなる。
したがって、低雑音APDを実現するためには、最大電
界強度を低くするような電界分布が必要となる。その−
例として特公昭61−46078号公報に記載されてい
るLo−Hi−Lo型の不純物濃度を持つAPDがある
(第2図)。ここで23は禁止帯幅の小さい光吸収層、
25は禁止帯幅の大きい増倍層であり比較的不純物濃度
が高い中間層24で電界を制御して、主接合に対接する
光吸収層23と中間層24の界面の電界強度を低くし、
禁止帯幅の小さい光吸収層23でバンド間トンネル電流
が発生することを防いでいる。また、増倍層の不純物濃
度が低いため、降伏時の最大電界強度は低くなっている
。ところが、上記L o −H1−Lo不純物濃度分布
を持つAPDでは以下の問題点がある。
イオン化係数比が大きくなるような電界強度を実現する
にはLo層の不純物濃度が、少なくともlXl0”■−
8のオーダは必要となる。ところが、ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス・レター、第43巻、第6
号(1983年)第594〜596頁(J、 of A
ppl、 Phys、 Lett、、43 、6(19
83)pp、594〜596) において論じられてい
るように、不純物濃度がlXl015■−8の程度にな
ると拡散速度が異常に速い拡散が起り、接合の制御が困
難になるという問題点が生じた。
拡散の制御性が悪くなると、主接合フロントと半導体層
25の距離がばらつくため、空乏層が光吸収層へ到達す
る電圧(パンチスルー電圧)及び、降伏電圧が大きく変
動する。降伏電圧の変動はAPDの動作電圧の変動をも
たらす。
p”n接合と中間層24との距離が大き過ぎる場合、降
伏電圧が100Vを越え、光通信システムに対する適応
性が悪くなる。また、反対にp・n接合と中間層24と
の距離が小さ過ぎる場合、光吸収層23と中間層24の
界面の電界強度が増大し、禁止帯幅の小さい光吸収層2
3でトンネル電流が発生して、暗電流特性を劣化させる
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は低不純物濃度の接合形成の制御について
配慮されておらず、適切な動作バイアス電圧の変動およ
び暗電流特性など素子性能低下をきたす問題があった。
本発明の目的は、不純物濃度、主接合の位置を配慮する
ことによって、適切な動作電圧で、低時電流、低雑音の
APDおよびその製法を提供することにある。゛ 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、APDを構成する不純物濃度分布を工夫し
、それによって接合位置を制御するこ1とによって達成
される。
すなわち、選択的に不純物を導入して、比較的不純物濃
度が高い半導体層6内に接合を形成する。
該半導体層6は不純物濃度が低い半導体層5に接してい
る。
本不純物濃度構造において半導体層7の表面から他方の
導電形の不純物を導入すると、接合は、拡散係数の大き
い該半導体層7を越え、拡散速度の遅い不純物濃度の大
きい半導体層6内に形成される。
〔作用〕
第1図において、比較的不純物濃度が高い半導体層6は
、p’n接合の位置を半導体層6内に位置させるように
動作する。入射光は不純物濃度の低い半導体層3によっ
て吸収され、生じた光励起キャリアは、不純物濃度が低
い5で主として増倍される。また、比較的不純物濃度の
高い半導体層5によって、APD全体の電界分布を制御
している。
これら技術的手段により、接合の位置は安定に制御でき
るようになるため、再現性よく特性の優れたAPDを得
ることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
実施例1 本実施例ではInP系材系材用いた場合について第1図
を用いて説明する。
第1図はプレーナ型InGaAs/ InPAPDの断
面構造図である。
まず、製造方法を述べる。
n+−InP基板1」二に、気相成長法(例えばMBE
法、MOCVD法、ハイドライドまたはハライドVPE
法)を用いて順次、n−−InP層2 (No = I
 X 10”an−8,厚さ0.57zm)  。
n−−InGaAs層3(Nn = I X 10’δ
1m −’ 、厚さ3μm)、n−102層4 (No
= 1−5 X 1016an−8゜厚さ1−1.5 
μm)、 n−−I n P層5(No=I X 10
15an−8,厚さ0.2 −1 pm) 、  n 
−InP層6 (No= 1〜5 X 1018an−
8,厚さ0.2−0,4μm)、n−−I n P層7
 (No= I X 10 ”Qn −8,厚さ2.5
〜3.5μm)を成長させる。
プラズマCVDによって形成したSiNx膜をマスクに
、選択的にp型不純物を導入し、主接合8ガードリング
接合9を形成する。p型不純物領域の形成においては、
ZnまたはCdの熱拡散、あるいはBeやMgなどのイ
オン打込み法が取られる。主接合及びガードリング接合
の位置は、それぞれn−−InP層7及びn −I n
 P層6内に形成する。次に、パッシベーション膜とし
て、S i N x / P S G / S i O
2,三層膜10を形成し、受光面上には反射防止膜とし
てS i N x 11を被着した。
p型オーミック電極12にはA u / P t / 
T i 。
n型オーミック電極13にはA u / P d / 
AuGeNiをそれぞれ用いた。
次にこの素子の動作について述べる。
本素子に入射した光は逆バイアス電圧によって空乏層化
されている半導体層3内でほとんど吸収され光励起キャ
リアを発生する。生成した光励起キャリア(この場合は
ホール)はドリフト電界により、キャリア増倍層5へ注
入される。該増倍層5には高電界が印加されているため
、二次イオン化により注入されたキャリアを効率よく増
倍する。
増倍されたキャリアは主接合に集められ、光電流として
外部回路に取り出される。
本実施例では、p’n接合の位置が±0.1μm以内に
正確に制御できるため、適切な動作電圧をもちかつ、低
暗電流のAPDを実現できる。また、増倍領域の不純物
濃度が低いため、アバランシェ降伏時の最大電界強度が
低くなり、イオン化係数比を大きくできる。その結果、
増倍に伴う過剰雑音が小さくなり、低雑音APDを実現
できる。
実施例2 第2図に別の実施例を説明する。第1図と異なるのは半
導体層3と4の間に禁止帯幅(λg=1.3μm)のI
nGaAsP層が挿入しであることである。
その製造方法については、実施例1と基本的には同様で
あり、n+ −InP基板上に気相成長法によりn−−
InP42.n−−InGaAs43゜n−−InGa
AsP44.n−I nP45.n−−InP46゜n
−InP47.n−−InP48を成長させた後、周知
のプロセス技術を用いて、主接合49゜ガードリング5
0.パッシベーション膜512反射防止膜52.p型オ
ーミック電極53.n型オーミック電極54を形成する
実施例2では、InGaAs43とInP45のへテロ
界面での価電子帯でのエネルギー不連続(約0.6V)
を緩和するために、禁止帯幅が43と45の中間の値(
λ、=4.3μm) をもつInGaAsP44を挿入
しである。44の挿入により、ヘテロ界面のエネルギー
不連続を約0.3■に低減できるため、ヘテロ界面の電
界強度を十分高くすることなく、ホールのパイルアップ
現象を抑止し、高速応答を実現することができる。
したがって、実施例2においては、適切なバイアス電圧
をもち、低暗電流、高速、高感度のAPDを制御性よく
実現することができる。
以上InGaAs/ I n P系について述べてきた
が、InPをInAffiAsに置きかえたInA1A
s系 InA1As系においても、本発明は有効である
また、本発明の本質は、InP系の材料以外、例えばG
 a S b系など他の化合物半導体を用いた場合、他
にm−v族化合物と、Ge、Siの組合せたものにおい
ても変るものではない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、比較的不純物濃度の高い禁止帯幅の大
きい半導体層内に制御性よ<p−n接合を形成でき、か
つ増倍層の不純物濃度を低くできるため、以下のような
効果がある。
(1)キャリア増倍層でのイオン化係数比を大きくする
ことができるため、過剰雑音を小さくできる。
(2)禁止帯幅の小さい光吸収層での電界強度を適正な
値に制御することができるため、バンド間トンネル電流
の発生を抑止でき、降伏電圧近傍の暗電流を小さくでき
る。
(3)パンチスルー電圧、降伏電圧等を正確に制御でき
るようになるため、再現性が向上し、工場生産での歩留
りの向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例1に示す素子の断面構造図、第
2図は、従来のAPDの断面構造図、および第3図は、
本発明の実施例2に示す素子の断面構造図である。 l−−・n+−InP基板、2−n−−InP層、3−
n−InGaAs光吸収層、4− n −I n P電
界緩和層、5−n−−I nP増倍層、6− n −I
 n P中間層、7・・・n−−InP窓層、8・・・
p−InP(主接合)、9・・・p−−InP(ガード
リング)、10・・・パッシベーション膜、11.・・
・反射防止膜、12・・・P型オーミック電極、13・
・・n型オーミック電極、21−n+ −I n P基
板、22−n−−InP層、23− n −−InGa
As光吸収層、24・・・n −I n P電界緩和層
、25・・・n−−InP増倍層、窓層、26−p−I
nP (主接合)、27・・・p−−InP(ガードリ
ング)、28・・・パッシベーション膜、29・・・反
射防止膜、30・・・p型オーミック電極、31・・・
n型オーミック電極、41−n+ −I n P基板、
42−n−−I n P層、43−n−−I nGaA
s光吸収層、44− n −−InGaAsPバッファ
層(1g = 1.3 pm)  、 45−−− n
 −I n P電界緩和層、46−n−−I n P増
倍層、47− n −I n P中間層、48−n−−
InP窓層、49−p−InP(主接合)、50・・・
p−−InP(ガードリング)、51・・・パッシベー
ション膜、52・・・反射防止膜、53・・・p型オー
ミック電極、54・・・n型オーミック電極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、一方の導電形を持つ基板上に少なくとも光を吸収す
    る光吸収層及び光を吸収して生じたキャリアを増倍する
    増倍層、p・n接合(主接合)を有する窓層を含む複数
    の半導体層を積層して構成される半導体受光素子におい
    て、キャリア増倍層と窓層の間に不純物濃度が当該増倍
    層および当該窓層のそれより大きい中間層を1以上有す
    ることを特徴とする半導体受光素子。 2、前記中間層内に前記p・n接合(主接合)を形成し
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体
    受光素子。 3、前記中間層内に前記p・n接合(主接合)を形成し
    、ガードリング接合を前記窓層内に有することを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の半導体受光素子。 4、前記中間層の、不純物濃度が1×10^1^8cm
    ^−^3〜1×10^1^7cm^−^3で、厚さが0
    .1〜0.4μmである特許請求の範囲第1項記載の半
    導体受光素子。 5、基板上に、受光機能を有する主接合を含む、半導体
    を形成する諸工程でなる半導体受光素子の製造方法にお
    いて、1方の導電形を有し、不純物濃度が小さい、キャ
    リアを増倍する半導体層(増倍層)及び光を透過する半
    導体層(密層)を形成する工程の間に中間層を形成する
    工程を有することを特徴とする半導体受光素子の製造方
    法。 6、前記主接合を前記中間層内に、エッジ降伏を抑止す
    るガードリング接合を前記窓層内に形成することを特徴
    とする特許請求の範囲第5項記載の半導体受光素子の製
    造方法。
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Cited By (4)

* 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
US4992386A (en) * 1988-12-14 1991-02-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Method of manufacturing a semiconductor light detector
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