JP4956944B2 - アバランシェフォトダイオード - Google Patents

Description

本発明は、アバランシェフォトダイオードに関し、特に、生産性を高めるための技術に関する。

上記アバランシェフォトダイオードを含み、実用に供されているダイオード構造は、ｐｎ導電型のうち一方の導電型を選択的領域として形成した長期的信頼性を有するプレーナ型構造である。特に、光通信等で使用される、ＩｎＰに格子整合した化合物半導体を用いたダイオードにあっては、上記選択的領域として、導電性の低いＩｎＰ中にｐ導電型不純物としてＺｎを熱拡散したｐ型導電領域が用いられている。さらに、アバランシェフォトダイオードにあっては、上記ｐ型導電領域の周辺部への電界集中によるエッジブレークダウンとよばれる局所的電圧降下を防止するため、外周部にさらにガードリングとよばれるｐ型導電領域を設けている。このｐ型導電領域は、Ｂｅをイオン注入したり（例えば特許文献１）、Ｚｎを熱拡散することにより設けられる（例えば特許文献２）。

また、特許文献３には、ＩｎＰ基板上に、半導体として少なくとも（ｉ型）ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層と、ＧａＩｎＡｓ光吸収層と、ＩｎＰ窓層とを順に積層し、前記ＩｎＰ窓層の中にｐ型導電領域を形成したアバランシェフォトダイオードが開示されている。ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層をＧａＩｎＡｓ光吸収層よりも下に配置することによりＩｎＰ窓層における電界強度を弱めることができるので、ガードリングをわざわざ作製せずに済み、簡便に低暗電流で高信頼性を有するアバランシェフォトダイオードを実現することができる。なお、特許文献３においては、ｐ型導電領域は、Ｚｎを熱拡散することにより設けられている。

特開昭５８−４８４７８号公報（第２図） 米国特許第４８５７９８２号明細書（第２図） 特開２００４−２００３０２号公報（第１図）

従来のアバランシェフォトダイオードは、以上のように構成されているので、Ｚｎの拡散深さが、ｐｉｎダイオード構造のｉ層厚を決定し、さらに、アバランシェフォトダイオードにあっては増倍層厚を決定することもある。従って、所望の周波数特性、電気特性、容量などの素子特性を得るためには、Ｚｎ拡散深さの精密な制御が必要であった。しかし、不純物の熱拡散深さを、正確に、再現性よく、またウェハ面内でばらつきなく制御することは困難である。従って、歩留まりが低くなり生産性が低減するという問題点があった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、生産性を高めることが可能なアバランシェフォトダイオードを提供することを目的とするものである。

本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、ＩｎＰ基板上に、半導体層として少なくとも光吸収層と、アバランシェ増倍層と、半導体窓層とを積層し、半導体窓層の中にＺｎ拡散した導電領域を形成したアバランシェフォトダイオードであって、ＩｎＰ基板上に、アバランシェ増倍層、光吸収層および半導体窓層が順に積層され、導電領域が設けられた半導体窓層は、第１の窓層と、該第１の窓層の下層に形成された第１の窓層よりもＺｎの拡散が遅い材料の第２の窓層とを有し、第１の窓層はＩｎＰ層で構成され、第２の窓層は、第３族元素および第５族元素から構成されＩｎおよびＡｓを主成分とする第３族・第５族半導体層であって、導電領域の断面形状は、第１の窓層の中での幅が第２の窓層の中での幅より大きく、第１の窓層の中での導電領域の断面形状は、周辺に向かって突き出た形状を有することを特徴とする。

本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、ＩｎＰにＺｎを拡散させるアバランシェフォトダイオードに比べて拡散速度を遅くできる。従って、Ｚｎ拡散深さを、正確に、再現性よく、またウェハ面内でばらつきなく制御することが可能となる。また、処理時間のマージンを大きくできるので、拡散装置の時間的特性変化や拡散時間の影響をうけにくくロバストとすることができる。よって、再現性および歩留まりがよく且つ作製が容易で生産性の高いアバランシェフォトダイオードを実現できる。またアバランシェ増倍層を光吸収層よりも下に配置することにより、半導体窓層における電界強度を弱めることができる。また、導電領域の断面形状は、第１の窓層の中での幅が第２の窓層の中での幅より大きく、第１の窓層の中での導電領域の断面形状は、周辺に向かって突き出た形状とすることで、第２の窓層の中の導電領域の周辺部での電界と電流の集中を緩和し、表面電界強度を下げて、増倍動作の安定化と長期信頼性の向上を図ることができる。さらに、表面側のサイズを大きく内部側のサイズを小さくできるので、素子容量を小さくすることができる。

本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、ＺｎがＩｎＰにおいては比較的に速く拡散するがＡｌＩｎＡｓ等においては比較的に遅く拡散することに着目し、窓層の材料としてＩｎＰに代えて（あるいはＩｎＰに加えて）ＡｌＩｎＡｓ等を用いることを特徴とする。以下、各実施の形態について詳細に説明する。なお、以下では、基板、光吸収層、アバランシェ増倍層、窓層等がｎ型である場合について説明するが、これらはｎ型に限らず、ｐ型であってもよく、また、一般的にｉ型と呼ばれるキャリア濃度が低いものであってもよい。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。半導体基板（ＩｎＰ基板）上への各半導体層の作製は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などを用いて実現できる。本実施の形態では次の工程順で作製した。

ｎ型ＩｎＰ基板１上に、キャリア濃度１〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰバッファ層２を厚み０．１〜１μｍに、キャリア濃度０．１〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３を厚み１〜３μｍに、バンドギャップを順次大きくしたキャリア濃度０．１〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＧａＩｎＡｓＰ遷移層４を厚み０．１〜０．５μｍに、キャリア濃度０．１〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰ電界調節層５を厚み０．０１〜０．１μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層６を厚み０．２〜０．８μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７を厚み０．５〜２．０μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層（後の工程でｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８となる）を厚み０．１〜０．５μｍに順次成長させる。

次に、直径２０〜１００μｍの受光領域（図１においては、後述するｐ型導電領域１０に一致）の外周上に、幅５〜２０μｍの環状領域にＢｅをイオン注入して熱処理によりｐ導電型に活性化させｐ型周辺領域９を形成する。ｐ型周辺領域９は、傾斜型接合を形成してエッジブレークダウンを防ぐためのガードリングとして機能する。

さらに、前記受光領域に、円形をくり貫いたＳｉＮｘ膜（図示しない）をマスクとして、Ｚｎを選択的にｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層６に至るまで熱拡散し、マスクのかかっていない円形部にｐ型導電領域１０を形成する。なおＺｎの熱拡散は、有機Ｚｎや金属Ｚｎなどを拡散源として用いる気相拡散法や、ＺｎＯ膜を形成し窒素雰囲気中などで高温で所定の時間拡散する固相拡散法などで行うことができる。このＺｎの熱拡散で上記のｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層をｐ型とすることにより、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８が形成される。

続いてｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８が、ｐ型導電領域１０上で幅５〜１０μｍのリング状に残るように中央部をエッチング除去される。さらに蒸着によりＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１１を形成し、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８の上部にあるＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１１を取り除き、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８の上にｐ電極１２をＡｕＺｎ／Ａｕによって形成する。さらにｎ型ＩｎＰ基板１において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２が積層されている面と逆の面を研摩し、ｎ電極１３をＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによって形成する。さらにウエハ状のｎ型ＩｎＰ基板１を劈開分離して３００μｍ角程度の素子とする。この素子に所定の処理を施すことにより、アバランシェフォトダイオードが形成される。なお、本実施の形態に係る図１のアバランシェフォトダイオードにおいては、ｐ型導電領域１０はｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７の中に収まらずｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層６へ達するように突き抜けている。

図２は、各化合物半導体（ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、およびＡｌＩｎＡｓ）に対するアニール温度４９０℃におけるＺｎの熱拡散時間と拡散深さとの関係を示すグラフである。拡散深さは、拡散不純物の種類と拡散される半導体の種類とによって異なるが、おおよそ拡散時間の平方根に比例している。Ｚｎの場合、ＩｎＰでは比較的に速く拡散し、ＡｌＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓでは比較的に遅く拡散する。ＡｌＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓにおける拡散深さは、ＩｎＰにおける拡散深さのおよそ２／５倍であり、ＡｌＩｎＡｓＰやＧａＩｎＡｓＰにおける拡散深さは、これらの間の中間の値をとる。従って、拡散深さは、装置の経時的変動や制御定数に対し、ＩｎＰに拡散する場合が最も大きく影響を受けて、揺らぎが大きい。上述したように、Ｚｎの拡散深さはｐｉｎダイオード構造のｉ層厚や増倍層厚を決定するが、ＩｎＰに拡散する場合には、作製マージンが小さくなるとともにウェハ内での特性が均一とならないので、作製における制御性や再現性が最も低くなる。また、拡散速度は温度に強く依存するので、熱処理時において前記化合物半導体がアニール温度まで上昇する間はほとんど拡散しない。従って、拡散時間が短い場合には、拡散深さが極めて浅くなるので、上記の揺らぎの影響を非常に受けやすくなる。

このように、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードにおいては、ＡｌＩｎＡｓ（ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７）にＺｎを熱拡散させるので、ＩｎＰにＺｎを熱拡散させる従来のアバランシェフォトダイオードに比べて、拡散速度を遅くできる。従って、アニール温度が低い拡散初期時点等においても、拡散速度が安定し揺らぎの影響を受けにくい。従って、Ｚｎ拡散深さを、正確に、再現性よく、またウェハ面内でばらつきなく制御することが可能となる。また、処理時間のマージンを大きくできるので、拡散装置の時間的特性変化や拡散時間の影響をうけにくくロバストとすることができる。従って、再現性および歩留まりがよく且つ作製が容易で生産性の高いアバランシェフォトダイオードを実現できる。また、拡散深さが浅くとも精密に制御できるので、窓層を薄くすることができ、結晶成長に要する時間を短縮できる。

なお、上述した図１の構成では、受光領域（ｐ型導電領域１０）の外周上に、Ｂｅのイオン注入によりｐ型周辺領域９を形成するが、これに限らず、例えば図３に示されるように、受光領域の外周から離れて、Ｚｎを熱拡散することによりｐ型周辺領域９を形成してもよい。ｐ型周辺領域９は、Ｚｎを熱拡散して形成されることにより、ｐ型導電領域１０と同様に、深さを精密に制御することが可能となる。また、ｐ型周辺領域９は、受光領域の外周から離れ、ｐ型導電領域１０より浅く形成してもよい。ｐ型周辺領域９を浅く形成する場合には揺らぎの影響を受けやすくなるが、上述したようにＡｌＩｎＡｓにＺｎを熱拡散させることにより、揺らぎを小さくすることができる。図３においては、ｐ型導電領域１０の中央部は深く、端部は外側のｐ型周辺領域９に向かって突き出した形状としており、その結果、深いｐ型導電領域１０の周辺部での電界と電流の集中を緩和し、表面電界強度を下げて、増倍動作の安定化と長期信頼性の向上を図っている。さらに、表面側のサイズを大きく内部側のサイズを小さくできるので、素子容量を小さくすることができる。

また、上述においては、窓層の材料としてＡｌＩｎＡｓを用いる場合について説明したが、これに限らず、バンドギャップが大きく被検出光を透過する材料であってＩｎＰより拡散速度が遅い材料であればよく、例えば、ＧａＩｎＡｓやＡｌＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓＰなどの３元系以上の材料であってもよい。すなわち、第３族元素および第５族元素から構成されＩｎおよびＡｓを主成分とする半導体層（第３族・第５族半導体層）を含めばよい。このように構成することにより、窓層を、ｎ型ＩｎＰ基板１に格子整合させつつＺｎの拡散速度をＩｎＰより遅くすることができる。

また、上述においては、ｎ型ＩｎＰ基板１の反対側から光を入射させるため窓層と表現したが、基板側あるいは側面から光を入射させる場合には、窓層ではなくキャップ層と表現される（実施の形態２以降についても同様）。

＜実施の形態２＞
実施の形態１においては、窓層を、ＩｎＰに比べてＺｎが遅く拡散するＡｌＩｎＡｓのみで構成させることにより、拡散深さの精密な制御を可能としている。しかし、窓層をＡｌＩｎＡｓのみで構成させた場合には、作製時間が長くなり過ぎる場合がある。このような場合には、窓層は、必ずしもＡｌＩｎＡｓのみで構成させる必要はなく、あるいは、ＡｌＩｎＡｓ以外に一部にＩｎＰを含んで構成されてもよい。

図４は、実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。半導体基板（ＩｎＰ基板）上への各半導体層の作製は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などを用いて実現できる。本実施の形態では次の工程順で作製した。

ｎ型ＩｎＰ基板１上に、キャリア濃度１〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰバッファ層２を厚み０．１〜１μｍに、キャリア濃度０．１〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３を厚み１〜３μｍに、バンドギャップを順次大きくしたキャリア濃度０．１〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＧａＩｎＡｓＰ遷移層４を厚み０．１〜０．５μｍに、キャリア濃度０．１〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰ電界調節層５を厚み０．０１〜０．１μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層６を厚み０．２〜１．２μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７を厚み０．１〜０．５μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰ窓層７ａを厚み０．１〜２．０μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層（後の工程でｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８となる）を厚み０．１〜０．５μｍに順次成長させる。

次に、直径２０〜１００μｍの受光領域の外周から離れて、幅３〜１０μｍの環状領域にＺｎを熱拡散することによりｐ型周辺領域９を形成する。ｐ型周辺領域９は、実施の形態１と同様に、傾斜型接合を形成してエッジブレークダウンを防ぐためのガードリングとして機能する。

さらに、前記受光領域に、円形をくり貫いたＳｉＮｘ膜（図示しない）をマスクとして、Ｚｎを選択的にｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層６に至るまで熱拡散し、マスクのかかっていない円形部にｐ型導電領域１０を形成する。このｐ型導電領域１０の端部は、図３と同様に、外側のｐ型周辺領域９に向かって突き出している。なおＺｎの熱拡散は、実施の形態１と同様に、有機Ｚｎや金属Ｚｎなどを拡散源として用いる気相拡散法や、ＺｎＯ膜を形成し窒素雰囲気中などで高温で所定の時間拡散する固相拡散法などで行うことができる。また、実施の形態１と同様に、このＺｎの熱拡散で上記のｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層をｐ型とすることにより、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８が形成される。

続いてｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８が、ｐ型導電領域１０上で幅５〜１０μｍのリング状に残るように中央部をエッチング除去される。さらに蒸着によりＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１１を形成し、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８の上部にあるＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１１を取り除き、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８の上にｐ電極１２をＡｕＺｎ／Ａｕによって形成する。さらにｎ型ＩｎＰ基板１において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２が積層されている面と逆の面を研摩し、ｎ電極１３をＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによって形成する。さらにウエハ状のｎ型ＩｎＰ基板１を劈開分離して３００μｍ角程度の素子とする。この素子に所定の処理を施すことにより、アバランシェフォトダイオードが形成される。なお、本実施の形態に係る図４のアバランシェフォトダイオードにおいては、実施の形態１に係る図１および図４のアバランシェフォトダイオードと同様に、ｐ型導電領域１０はｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７の中に収まらずｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層６へ達するように突き抜けている。

図４のアバランシェフォトダイオードは、実施の形態１に係る図３のアバランシェフォトダイオードにおいて、ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７（およびｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層６）を薄くしその上にｎ型ＩｎＰ窓層７ａを追加した構成からなる。窓層をＡｌＩｎＡｓのみからではなく拡散速度が速いＩｎＰを一部に含んで構成させることにより、作製時間を短縮することができる。すなわち、窓層に含まれるＡｌＩｎＡｓの割合とＩｎＰの割合とを任意に調節することによって、拡散深さを精密に制御しつつ作製時間を短縮することが可能となる。

このように、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードは、窓層を、ＡｌＩｎＡｓのみで構成させるのではなく、一部にＩｎＰを含んで構成させる。従って、実施の形態１の効果に加えて、作製時間を短縮することができるという効果を奏する。

＜実施の形態３＞
実施の形態１〜２においては、図１，３，４に示されるように、エッジブレークダウンを防ぐためにｐ型周辺領域９を設けている。しかし、特許文献３に開示されているように、アバランシェ増倍層を光吸収層よりも下に配置することにより窓層における電界強度を弱めることができるので、ガードリングとして機能するｐ型周辺領域９を設けなくてもエッジブレークダウンを防ぐことが可能となる。

図５は、実施の形態３に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。半導体基板（ＩｎＰ基板）上への各半導体層の作製は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などを用いて実現できる。本実施の形態では次の工程順で作製した。

ｎ型ＩｎＰ基板１上に、キャリア濃度１〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰバッファ層２を厚み０．１〜１μｍに、キャリア濃度０．１〜３×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層６ａを厚み０．１〜０．５μｍに、キャリア濃度０．１〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型ＩｎＰ電界調節層５ａを厚み０．０１〜０．１μｍに、キャリア濃度０．１〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３を厚み１〜３μｍに、バンドギャップを順次大きくしたキャリア濃度０．１〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層４ａを厚み０．１〜０．５μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７を厚み０．５〜２．０μｍに、キャリア濃度０．０１〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層（後の工程でｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８となる）を厚み０．１〜０．５μｍに順次成長させる。

次に、直径２０〜１００μｍの受光領域に、円形をくり貫いたＳｉＮｘ膜（図示しない）をマスクとして、Ｚｎを選択的にｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７に熱拡散し（ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層４ａには至らない）、マスクのかかっていない円形部にｐ型導電領域１０を形成する。なおＺｎの熱拡散は、実施の形態１〜２と同様に、有機Ｚｎや金属Ｚｎなどを拡散源として用いる気相拡散法や、ＺｎＯ膜を形成し窒素雰囲気中などで高温で所定の時間拡散する固相拡散法などで行うことができる。また、実施の形態１〜２と同様に、このＺｎの熱拡散で上記のｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層をｐ型とすることにより、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８が形成される。

続いてｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８が、ｐ型導電領域１０上で幅５〜１０μｍのリング状に残るように中央部をエッチング除去される。さらに蒸着によりＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１１を形成し、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８の上部にあるＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１１を取り除き、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８の上にｐ電極１２をＴｉ／Ａｕによって形成する。さらにｎ型ＩｎＰ基板１において、ｎ型ＩｎＰバッファ層２が積層されている面と逆の面を研摩し、ｎ電極１３をＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによって形成する。さらにウエハ状のｎ型ＩｎＰ基板１を劈開分離して３００μｍ角程度の素子とする。この素子に所定の処理を施すことにより、アバランシェフォトダイオードが形成される。

図５のアバランシェフォトダイオードは、実施の形態１に係る図１のアバランシェフォトダイオードにおいて、ｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３上に配置されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ遷移層４、ｎ型ＩｎＰ電界調節層５、およびｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層６に代えて、ｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３上にｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層４ａをｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３下にｐ型ＩｎＰ電界調節層５ａおよびｎ型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層６ａをそれぞれ設けるとともに、ｐ型周辺領域９を省き、さらに、ｐ型導電領域１０を、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層４ａへ突き抜けずｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７の中に収まるように形成した構成からなる。すなわち、ｎ型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層６ａをｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３よりも下に配置することにより、特許文献３と同様に、ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７における電界強度を弱めｐ型周辺領域９を省くことが可能となる。また、ｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３とｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７との間に介在させる遷移層として、Ｐを含むｎ型ＧａＩｎＡｓＰ遷移層４ではなくＰを含まない（Ｖ族原子としてはＡｓのみを含む）ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層４ａを用いることにより、窓層と遷移層との荷電子帯の不連続量を低減しホールの流れを妨げないようにしている。

このように、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードにおいては、ｎ型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層６ａをｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層３より下に配置しているので、実施の形態１の効果に加えて、ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７における電界強度を弱めることができるという効果を奏する。

なお、上述においては、図５を用いて、ｐ型周辺領域９を省いた場合について説明したが、実施の形態１〜２と同様に、ｐ型周辺領域９を形成してもよい。ｐ型周辺領域９を形成することによりｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７における電界強度をさらに弱めることができるので、アバランシェフォトダイオードの長期的な信頼性をさらに高めることが可能となる。

また、上述においては、図５を用いて、窓層がｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７のみから構成される単層構成である場合について説明したが、例えば、窓層は、図６に示されるように、二層構成であってもよい。図６は、図５において、図３〜４と同様にｐ型周辺領域９を形成するとともに、ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７とＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜１１との間にＩｎＰ窓層７ｂを介在させることにより窓層を二層構成としたものである。図６において、ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７は、図５におけるよりも薄く形成してもよく、０．１μｍ以上であればよい（好ましくは０．３μｍ以上、より好ましくは０．５μｍ以上）。また、窓層は、図７に示されるように、三層構成であってもよい。図７は、図６において、ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７とｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層４ａとの間にＩｎＰ窓層７ｃを介在させることにより、窓層を三層構成としたものである。ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７に加えてＩｎＰ窓層７ｂ，７ｃを設けることにより、実施の形態２と同様に、作製時間を短縮することができる。

なお、上述においては、遷移層として、Ｐを含まないｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層４ａを用いる場合について説明したが、遷移層の材料として、例えばＰを含むＧａＩｎＡｓＰ遷移層を用いる場合には、ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層７に代えて、Ｐを含む窓層を用いればよい。

また、上述においては、ｎ型ＩｎＰ基板１を用いその反対側から光を入射させる表面入射型について説明したが、半絶縁性基板を用いｎ型バッファ層２にｎ電極１３を電気的に接続し基板側から光を入射させる裏面入射型としてもよく、また側面から光を入射させる導波路型構造であってもよい。

実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 各化合物半導体に対するＺｎの熱拡散時間と拡散深さとの関係を示すグラフである。 実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 実施の形態３に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 実施の形態３に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。 実施の形態３に係るアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。

符号の説明

１ ｎ型ＩｎＰ基板、２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、３ ｎ型ＧａＩｎＡｓ光吸収層、４ ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ遷移層、４ａ ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層、５ ｎ型ＩｎＰ電界調節層、５ａ ｐ型ＩｎＰ電界調節層、６ ｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層、６ａ ｎ型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層、７ ｎ型ＡｌＩｎＡｓ窓層、７ａ ｎ型ＩｎＰ窓層、７ｂ，７ｃ ＩｎＰ窓層、８ ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層、９ ｐ型周辺領域、１０ ｐ型導電領域、１１ ＳｉＮｘ表面保護膜兼反射防止膜、１２ ｐ電極、１３ ｎ電極。

Claims (3)

1. ＩｎＰ基板上に、半導体層として少なくとも光吸収層と、アバランシェ増倍層と、半導体窓層とを積層し、前記半導体窓層の中にＺｎ拡散した導電領域を形成したアバランシェフォトダイオードであって、
   前記ＩｎＰ基板上に、前記アバランシェ増倍層、前記光吸収層および前記半導体窓層が順に積層され、
   前記導電領域が設けられた前記半導体窓層は、第１の窓層と、該第１の窓層の下層に形成された前記第１の窓層よりもＺｎの拡散が遅い材料の第２の窓層とを有し、
   前記第１の窓層はＩｎＰ層で構成され、前記第２の窓層は、第３族元素および第５族元素から構成されＩｎおよびＡｓを主成分とする第３族・第５族半導体層であって、
   前記導電領域の断面形状は、前記第１の窓層の中での幅が前記第２の窓層の中での幅より大きく、
   前記第１の窓層の中での前記導電領域の断面形状は、周辺に向かって突き出た形状を有することを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
2. 請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
   前記３族・第５族半導体層は、
   ＡｌＩｎＡｓ層、ＡｌＧａＩｎＡｓ層、ＧａＩｎＡｓＰ層のいずれかを含むことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
3. 請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
   前記半導体窓層の中において前記導電領域の周辺にｐ型周辺領域を備え、
   前記ｐ型周辺領域は、前記導電領域よりも浅く形成されることを特徴とするアバランシェダフォトダイオード。

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