JP4985298B2 - Avalanche photodiode - Google Patents
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Description
本発明は、半導体を用いた受光素子に係り、特に暗電流が低く、長期的に信頼性の高いアバランシェフォトダイオードに関する。 The present invention relates to a light receiving element using a semiconductor, and more particularly to an avalanche photodiode having a low dark current and high reliability in the long term.
光通信等で使用されるアバランシェフォトダイオードは、光電変換を行なう光吸収層に加え、光電変換されたキャリアをアバランシェ(雪崩)増倍させる層を設けることによって受光感度を高めた半導体受光素子であり、暗電流が低くかつ高い信頼性を有することが要求される。 Avalanche photodiodes used in optical communications, etc., are semiconductor light-receiving elements that increase the light-receiving sensitivity by providing a layer that amplifies the avalanche (avalanche) of photoelectrically converted carriers in addition to the light-absorbing layer that performs photoelectric conversion. Therefore, the dark current is required to be low and to have high reliability.
上記アバランシェフォトダイオードの多くは化合物半導体によって形成され、その構造からメサ構造とプレーナ構造に大別することができる。メサ構造は、基板上にメサ(台地)を形成し、同メサ中にpn接合を含んだ構造をとるものであり、メサ周辺の表面でブレークダウンが生じやすい。これを抑制するため、一般に傾斜を設けた構造が採られ、さらにメサ外周領域に高抵抗部となる埋め込み層を設けるなどの構造をとり、暗電流を低く抑える工夫がなされている(例えば特許文献1)。
プレーナ構造は、選択拡散領域を設けることによりpn接合を形成するものであるが、前記pn接合のエッジ部におけるエッジブレークダウンが問題となる。エッジ部で電流が流れると、電圧を増大させても中央に位置する受光部のpn接合の逆方向電圧はほとんど増加しないため、アバランシェフォトダイオードとしての機能を発揮できない。そのため例えば前記エッジ部に不純物注入などにより高抵抗のガードリングを設けるなどの対策がとられている(例えば特許文献2)。
Most of the avalanche photodiodes are formed of a compound semiconductor, and can be roughly classified into a mesa structure and a planar structure. The mesa structure is a structure in which a mesa (plateau) is formed on a substrate and a pn junction is included in the mesa, and breakdown is likely to occur on the surface around the mesa. In order to suppress this, in general, a structure with an inclination is adopted, and a structure such as a buried layer serving as a high resistance portion is provided in the mesa outer peripheral region to devise a technique for reducing dark current (for example, Patent Documents). 1).
In the planar structure, a pn junction is formed by providing a selective diffusion region, but edge breakdown at the edge portion of the pn junction becomes a problem. When a current flows at the edge portion, even if the voltage is increased, the reverse voltage at the pn junction of the light receiving portion located at the center hardly increases, so that the function as an avalanche photodiode cannot be exhibited. Therefore, for example, a countermeasure such as providing a high-resistance guard ring at the edge portion by impurity implantation or the like is taken (for example, Patent Document 2).
しかしながら、従来のアバランシェフォトダイオードでは次のような問題があった。
傾斜型メサ構造において、メサ外周領域に埋め込み層を設けるためには、例えば有機金属気相成長法(MO−CVD)法などで、部分的に、かつ結晶面によらず均一に結晶再成長させるというプロセスが必要であるため、製造コストが上昇する、歩留まりが悪いという問題があった。また暗電流を低くする対策がとられているものの抑制効果が不十分であるという問題があった。
プレーナ構造において(特許文献2では擬似プレーナ構造と記載)、例えば受光領域周辺部の電界緩和層のp導電型を補償してガードリングを形成する方法では、トレンチを形成してTiなどのイオン注入を行なわなければならず、エッチングストッパー層を設ける必要があった。さらにその外周に不純物拡散層を設けるので、プロセスが複雑となり製造コストが上昇するとともに、歩留まりにも問題があった。また光吸収層中のガードリングの電界強度が高くなるのでトンネル暗電流が大きくなるなどの問題もあった。
However, the conventional avalanche photodiode has the following problems.
In the inclined mesa structure, in order to provide the buried layer in the mesa outer peripheral region, the crystal is regrown partially and uniformly regardless of the crystal plane by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MO-CVD) method. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost increases and the yield is poor. Moreover, although the measure which makes dark current low is taken, there existed a problem that the suppression effect was inadequate.
In a planar structure (described as a pseudo-planar structure in Patent Document 2), for example, in a method of forming a guard ring by compensating the p conductivity type of the electric field relaxation layer around the light receiving region, a trench is formed and ions such as Ti are implanted. It was necessary to provide an etching stopper layer. Further, since the impurity diffusion layer is provided on the outer periphery, the process becomes complicated, the manufacturing cost increases, and there is a problem in the yield. In addition, since the electric field strength of the guard ring in the light absorption layer is increased, there is a problem that the tunnel dark current is increased.
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、簡易な工程で作製でき、かつ暗電流が抑制され、長期信頼性が確保された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。 The present invention has been made to solve these problems, and an object thereof is to provide an avalanche photodiode that can be manufactured by a simple process, suppresses dark current, and ensures long-term reliability. It is.
本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、第1電極と、これに電気的に接続された第1導電型からなる第1の半導体層を具備する基板とを備え、基板には、工程順に少なくともアバランシェ増倍層と、電界緩和層と、光吸収層と、光吸収層よりバンドギャップの大きい第2の半導体層とが順次積層され、第2の半導体層内には、第2導電型導電領域が形成され、第2導電型導電領域は、第2電極に電気的に接続され、かつ、第2導電型導電領域および第2導電型導電領域の周囲の第2の半導体層の一部を残し、その外周の基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層が除去されて光吸収層の側面が形成され、光吸収層は前記アバランシェ増倍層より狭く、さらに、電界緩和層より狭く形成されて電界緩和層との間に段差が設けられているものである。 An avalanche photodiode according to the present invention includes a first electrode and a substrate including a first semiconductor layer of a first conductivity type electrically connected to the first electrode, and the substrate includes at least an avalanche increase in the order of steps. A double layer, an electric field relaxation layer, a light absorption layer, and a second semiconductor layer having a larger band gap than the light absorption layer are sequentially stacked, and a second conductivity type conductive region is formed in the second semiconductor layer. And the second conductive type conductive region is electrically connected to the second electrode, and the second conductive type conductive region and a part of the second semiconductor layer around the second conductive type conductive region are left, Of the layers stacked on the outer peripheral substrate, at least the light absorption layer is removed to form the side surface of the light absorption layer. The light absorption layer is narrower than the avalanche multiplication layer and further narrower than the electric field relaxation layer. step is provided et between the electric field relaxation layer Te And those are.
本発明によれば、簡易な工程で、低暗電流、かつ長期信頼性の高いアバランシェフォトダイオードを提供できる。 According to the present invention, an avalanche photodiode with low dark current and high long-term reliability can be provided by a simple process.
参考例1.
図1は本発明の参考例1によ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。ここでは第1導電型としてn型を、第2導電型としてp型を、第1電極としてn電極を、第2電極としてp電極を用いている。各半導体層の作製は、例えばn型InPなどのウエハ状の基板1上に、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。本参考例1では次の工程順で作製した。基板1上に、例えばキャリア濃度0.2〜2×1019cm−3のn型InPなどの第1の半導体層2(以下バッファ層という)を厚み0.1〜1μmに、i型AlInAsのアバランシェ増倍層4を厚み0.15〜0.4μmに、キャリア濃度0.5〜1×1018cm−3のp型InPの電界緩和層5を厚み0.03〜0.06μmに、キャリア濃度1〜5×1015cm−3のp−型GaInAsの光吸収層6を厚み1〜1.5μmに、i型InPなどの前記光吸収層6よりバンドギャップの大きい第2の半導体層8を厚み1.0〜2μmに、i型GaInAsコンタクト層9を厚み0.1〜0.5μmに順次成長させた。ここでは被検出光を基板1と反対側から入射する構成(以下表面入射という)をとるため、前記第2の半導体層8のバンドギャップは被検出光のエネルギーより大きくしている。また第2の半導体層8は、被検出光を透過させるので以下第2の半導体層8を窓層という。
Reference Example 1
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of an avalanche photodiode according to Reference Example 1 of the present invention. Here, the n-type is used as the first conductivity type, the p-type is used as the second conductivity type, the n-electrode is used as the first electrode, and the p-electrode is used as the second electrode. The production of each semiconductor layer can be realized on the wafer-
次に、直径25〜55μmの円形をくり貫いたSiOx膜をマスクとして、前記マスクに覆われていない円形部にp型導電領域10を例えばZn選択熱拡散方法で形成する。続いて前記p型導電領域10上のi型GaInAsコンタクト層9が、幅5〜10μmのリング状に残るように中央部と外部をエッチング除去する。さらに蒸着によりSiNx表面保護膜兼反射防止膜120を形成し、前記コンタクト層9の上部にある前記SiNx表面保護膜兼反射防止膜120を取り除き、前記コンタクト層9の上にp電極14をAuZnによって形成する。さらに基板1において、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によって形成し、前記n電極13に前記バッファ層2が電気的に接続されるようにする。さらにウエハ状の基板1を劈開分離して、劈開面27を有する300μm角程度の素子とする。
Next, the p-type
上記の工程で作製されたアバランシェフォトダイオードの動作を以下に説明する。n電極13側がプラス、p電極14側がマイナスとなるように外部から逆バイアス電圧を加えた状態で、p電極14側から光28を入射させる。例えば光通信波長帯である1.3μm帯あるいは1.5μm帯の近赤外領域の光を前記コンタクト層9のリング内部に入射させると、光は窓層8を透過し光吸収層6において吸収されて電子−ホール対を発生し、前記電子はn電極13側、前記ホールはp電極14側に移動する。逆バイアス電圧が充分に高い時、前記アバランシェ増倍層4において電子はイオン化して新たな電子−ホール対を生成し、新たに生成された電子、ホールと共にさらなるイオン化を引き起こす事によって、電子、ホールが雪崩的に増倍するアバランシェ増倍が引き起こされる。
The operation of the avalanche photodiode manufactured by the above process will be described below.
次に、図1に示す本参考例のアバランシェフォトダイオードにおける電界強度について説明する。図2は図1のA−A'断面における深さ方向の電界強度分布を表した特性図であり、図3は図1のB−B'断面及びC−C'断面における面方向の電界強度分布を表した特性図である。図2及び図3の横軸の符号は上記形成した各半導体層を示し、図中A−A’断面をA−A'、B−B'断面をB−B'、C−C'断面をC−C'と表す。図2に示すように、最も高電界となる部分はアバランシェ増倍層4となる。さらに図3のB−B'断面における電界強度分布で示されるように、その中でも前記p型導電領域10直下の受光領域中央部が最も高い領域となり、周辺部にいく程電界強度は小さくなる。また図3のC−C'断面における電界強度分布で示されるように、前記p型導電領域10の周辺部の電界強度は拡散領域の有限の曲率により中央部よりも高くなるが、図2のB−B'断面における電界強度分布と比較するとアバランシェ増倍層4にかかる電界強度よりは低いため、エッジブレークダウンとして知られる周辺部での電流を抑えることができ、アバランシェフォトダイオードとして機能させることができる。
Next, the electric field strength in the avalanche photodiode of this reference example shown in FIG. 1 will be described. 2 is a characteristic diagram showing the electric field intensity distribution in the depth direction in the AA ′ section of FIG. 1, and FIG. 3 is the electric field intensity in the surface direction in the BB ′ section and the CC ′ section of FIG. It is a characteristic view showing distribution. 2 and 3 indicate the semiconductor layers formed above. In the drawing, the AA ′ section is taken along the line AA ′, the BB ′ section is taken along the line BB ′, and the CC ′ section is taken along the line. It is represented as CC ′. As shown in FIG. 2, the portion having the highest electric field is the
さらに、拡散領域周辺の電界強度が局所的に高い領域、すなわち図3のC−C'断面において前記p型導電領域10の周辺部で電界強度が高くなっている部分を、光吸収層6よりもバンドギャップの大きな窓層8内に形成しているので、前記電界強度が高くなっている部分からトンネル暗電流が流れることを抑制することができる。したがって、本参考例によるアバランシェフォトダイオードは、エッジブレークダウンを抑制するガードリングと呼ばれる構造を設ける必要がなく、簡易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。
Further, a region where the electric field strength around the diffusion region is locally high, that is, a portion where the electric field strength is high in the peripheral portion of the p-type
なお本参考例では、Znを用いた選択熱拡散によってp型導電領域10を形成する例について説明したが、用いる原子はp導電型を付与するものであればよい。他の形成方法としては、例えば円形をくり貫いたSiOx膜をマスクとして、p型導電領域をZn選択熱拡散方法で形成した後に、拡散の供給源であるZn膜および前記SiOx膜を除去し、さらに再度熱拡散処理を行いp型導電領域内部のZnを拡散させてもよい(以下Zn追加拡散という)。また、例えば円形をくり貫いたフォトレジスト膜をマスクとして、Beをイオン注入した後にフォトレジスト膜を除去し、700℃程度で12時間程度熱アニーリング処理をすることによっても形成できる(以下Be注入という)。
In this reference example, the example in which the p-type
図4は、p型導電領域10の形成方法として、前記Zn選択熱拡散(図中D)、Zn追加拡散(図中E)、およびBe注入(図中F)を用いた場合の深さ方向(導電領域10−窓層8接合部)におけるキャリア濃度の違いを示した特性図である(横軸の符号はそれぞれの層に相当する)。これより、Zn追加拡散を用いた場合、著しくキャリア濃度が変化するZn選択熱拡散に比べキャリア濃度変化を緩やかにすることができるため、導電領域10−P窓層8接合部での電界強度をより低く抑えることができ、トンネル暗電流を抑制できる。またBe注入では、さらにキャリア濃度変化を緩やかにすることができる。
FIG. 4 shows the depth direction when the Zn selective thermal diffusion (D in the figure), Zn additional diffusion (E in the figure), and Be implantation (F in the figure) are used as a method of forming the p-type
なお本参考例では、電界緩和層5をp型InPとした例を示したが、AlInAsとしてもよい。状況により電界緩和層5を省略することもできる。またp型導電領域10とp電極14とを電気的に接続させるためコンタクト層9を設けた例を示したが、p型導電領域10とp電極14とを直接接触させてもよい。窓層8としてi型InPを用いる例を示したが、導電型は半絶縁性、絶縁性、n型、あるいは導電性の低いp型のいずれであってもよい。窓層8と光吸収層6との間に、GaInAsP、AlInAs、AlGaInAs、GaInAsPなどを含むストッパ層3を設ければ、p型導電領域10から光吸収層6へp型導電領域が拡散することを抑制でき、さらに好ましい。
In this reference example, the electric
参考例2.
本発明の参考例2によるアバランシェフォトダイオードでは、上記参考例1で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層6と窓層8との間に、さらに遷移層7を設けた。形成方法としては、上記参考例1で光吸収層6を成長させた工程に続き、例えばi型GaInAsPを厚み0.01〜0.05μmに成長させ、遷移層7とした。
Reference Example 2
In the avalanche photodiode according to the reference example 2 of the present invention, the
図5は、本参考例によるアバランシェフォトダイオードの伝導帯及び価電子帯の層接合部でのエネルギー分布を示している。横軸の符号は積層された各半導体層を、縦軸はエネルギーを示し、図中Gは伝導帯、図中Hは価電子帯、図中Iはホールそれぞれのエネルギーを示している。図5より、遷移層7の価電子帯エネルギーは、光吸収層6よりも低く、窓層8よりも高い値、すなわち光吸収層6と窓層8との間の値をとることがわかる。これは、光吸収層6と窓層8との間に、遷移層7を挟むことにより、価電子帯の不連続量が小さくなり、光吸収層6よりホールが流れやすくなることを示している。したがってヘテロ界面でのホールのパイルアップを防ぐことができ、より高速な光応答を実現できる。
FIG. 5 shows the energy distribution at the layer junction of the conduction band and the valence band of the avalanche photodiode according to this reference example. The horizontal axis indicates the stacked semiconductor layers, the vertical axis indicates energy, G in the figure indicates the conduction band, H in the figure indicates the valence band, and I in the figure indicates the energy of each hole. FIG. 5 shows that the valence band energy of the
なお、前記遷移層7は単層としたが、段階的にバンドギャップを変化させた複数層としてもよい。複数層にすることにより価電子帯の不連続量はさらに小さくなり、その結果ホールが流れやすくなるため、より高速な光応答を実現できる。また、図5において破線で示すように、連続的にバンドギャップを変化させた層としてもよい。
Although the
本参考例において、遷移層7としてi型GaInAsPを用いた例を示したが、AlInAs、AlGaInAs、GaInAsPを用いてもよい。特に窓層8にInPを用いた場合に、第2導電型領域の拡散ストッパとして機能する。
In this reference example, an example in which i-type GaInAsP is used as the
参考例3.
本発明の参考例3によるアバランシェフォトダイオードでは、上記参考例1、2で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、p型導電領域10の周辺にさらにp型周辺導電領域110を設けた。図6、図7は、本参考例によ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。ここで6は光吸収層、3はストッパ層であり、ホール遷移および拡散ストッパを兼ねている。8は窓層、9はコンタクト層である。
図6に示すアバランシェフォトダイオードは、コンタクト層9の外周を超えた広い範囲に遷移層7に達しない程度に浅く選択熱拡散を行なってp型導電領域110を形成し、その後に、上記p型周辺導電領域110の領域より狭い範囲に遷移層7に達する程度に深く選択熱拡散を行なってp型導電領域10を形成したものである。上記p型導電領域10の領域は、重ねて選択熱拡散されている。このように、p型導電領域10の抵抗を十分上げることができ、さらにp型周辺導電領域110で周辺を取り囲むようにしているので、表面電界強度を下げることができる。したがってブレークダウンをさらに抑制でき、信頼性を増すことができる。
Reference Example 3.
In the avalanche photodiode according to Reference Example 3 of the present invention, the p-type peripheral
The avalanche photodiode shown in FIG. 6 forms p-type
また、図7に示すアバランシェフォトダイオードは、コンタクト層9の下に形成したp型導電領域10の周辺を取り巻くように、環状にp型周辺導電領域110を形成したものである。このようにp型導電領域10およびp型周辺導電領域110を形成しても、表面電界強度の低下が図れ、ブレークダウンを抑制できる。
In the avalanche photodiode shown in FIG. 7, a p-type peripheral
参考例4.
図8は、本参考例4によるアバランシェフォトダイオードを示す概略構造を示す断面図であり、現象を説明するため、イメージ的に空乏化領域11を示している。本参考例では、上記参考例1で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、p型導電領域10を含み、上記p型導電領域10の周辺領域を径100μm程度の円形状に残し、その外周の窓層8、光吸収層6を電界緩和層5に達するまで除去し、側面25を形成した(以下側面除去という)。
Reference Example 4
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic structure of the avalanche photodiode according to the fourth reference example , and the
図9は、上記側面除去したアバランシェフォトダイオードについて、電流および増倍率Mと逆バイアス電圧の関係を示した特性図である。図中破線は、上記側面除去せず単に劈開して素子分離した上記参考例1のアバランシェフォトダイオードの暗電流特性である。
逆バイアス電圧に依存しない暗電流(図中Idark)は、光吸収層6からの発生暗電流であり、単に劈開したのみの構成では前記発生暗電流が劈開面を経由して流れるため、暗電流は10−7Aレベル(図中Idark破線)となる。これに比較し、本参考例のアバランシェフォトダイオードでは光吸収層6からの発生暗電流経路を遮断できるため、暗電流を10−8Aレベル(図中Idark実線)まで低減できることがわかる。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the current and multiplication factor M and the reverse bias voltage for the avalanche photodiode with the side surface removed. The broken line in the figure is the dark current characteristic of the avalanche photodiode of the reference example 1 that is simply cleaved and element-isolated without removing the side surface.
The dark current that does not depend on the reverse bias voltage (Idark in the figure) is the generated dark current from the
上述のとおり暗電流は、主に光吸収層6から発生し、空乏化領域11を経路として流れるため、少なくとも空乏化領域11を囲む光吸収層6を除去すればよい。空乏化領域11の拡がりを考慮すれば、例えば第2導電型導電領域より10μm以上の幅の光吸収層6を残して、側面除去するとよい。
As described above, the dark current is mainly generated from the
前記側面除去により残す光吸収層6の幅を小さくすると、前記側面除去した面の電界強度が高くなり、長期信頼性も低下するため、側面除去により残す光吸収層6の幅は、10μm以上200μm以下程度とするのが好ましい。また、前記側面除去により残す光吸収層6の形状は特に限定するものではなく、円形状、楕円形状に残してもよく、四角形状、多角形状にしてもよい。前記四角形状、多角形状とする場合には、角部に丸みを設けると前記角部での電界集中を防ぐことができ好ましい。
If the width of the
側面除去の方法としては、例えばHBr/過酸化水素水混合溶液を用いてエッチングする方法がある。またクエン酸、酒石酸などの有機酸と過酸化水素水の混合溶液を用いた有機酸エッチングを用いてもよい。反応性イオンエッチング(RIE)などによるドライエッチングとしてもよい。またInP系材料を選択的にエッチングする場合は、塩酸/リン酸混合溶液などの塩酸系溶液を用いることができる。AlGaInAs系材料やGaInAsP系材料を選択的にエッチングする場合は、有機酸(クエン酸、酒石酸など)/過酸化水素水混合溶液などの有機酸系溶液、硫酸系溶液を用いることができる。これらに選択エッチング性の小さいHBr/過酸化水素水やBr/メタノールなどのBr系溶液などを適宜組み合わせれば所望の側面除去が達成できる。 As a method for removing the side surface, for example, there is a method of etching using a mixed solution of HBr / hydrogen peroxide solution. Further, organic acid etching using a mixed solution of an organic acid such as citric acid and tartaric acid and hydrogen peroxide water may be used. It may be dry etching such as reactive ion etching (RIE). Further, when the InP-based material is selectively etched, a hydrochloric acid-based solution such as a hydrochloric acid / phosphoric acid mixed solution can be used. In the case of selectively etching an AlGaInAs-based material or a GaInAsP-based material, an organic acid solution such as an organic acid (citric acid, tartaric acid, etc.) / Hydrogen peroxide solution mixed solution or a sulfuric acid solution can be used. Desirable side surface removal can be achieved by appropriately combining these with a Br-based solution such as HBr / hydrogen peroxide solution or Br / methanol having a low selective etching property.
また、本参考例では電界緩和層5に達するまで側面除去する例を示したが、アバランシェ増倍層4より深い層まで側面除去してもよい。
本参考例では窓層8と光吸収層6とを接合させた例を示したが、上記参考例2あるいは参考例3で示したように、窓層8と光吸収層6との間に遷移層7あるいはストッパ層3を設けてもよい。
本参考例では導電領域10を形成した例を示したが、上記参考例3で示したようにさらに周辺導電領域110を形成してもよい。
Further, in this reference example , the example in which the side surface is removed until reaching the electric
In this reference example , an example in which the
In this reference example , the example in which the
実施の形態1.
図10は、本発明の実施の形態1によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。本実施の形態では、上記参考例4で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層6の幅が窓層8および電界緩和層5より小さくなるように側面25を形成した。例えば有機酸と過酸化水素水の混合溶液を用いれば、選択的に光吸収層6を深くエッチングできる。このようにして光吸収層6と電界緩和層5に段差を設けることにより、暗電流は流れにくくなり、前記暗電流を10−8Aレベル以下に低減できた。
FIG. 10 is a sectional view showing a schematic configuration of the avalanche photodiode according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, in the avalanche photodiode shown in Reference Example 4 , the
実施の形態2.
図11は、本発明の実施の形態2によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。本実施の形態では、上記参考例4で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、窓層8を塩酸/リン酸溶液で側面除去し、有機酸/過酸化水素水溶液により光吸収層6を側面除去した後、光吸収層8の側面25より10μm程度離れた位置において電界緩和層5、アバランシェ増倍層4、バッファ層2の一部をHBr/過酸化水素水混合溶液を用いて除去して溝26を形成した。このように少なくとも光吸収層6を側面除去した上で、さらに上記溝26を設けることにより、光吸収層6から暗電流が流れにくくなり、前記暗電流を10−8Aレベル以下に低減できた。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the avalanche photodiode according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, in the avalanche photodiode shown in Reference Example 4 above, the
なお、上記側面25と上記溝26との隔たりを10μmとしたが、10μm以上としてもよい。
溝26は、電界緩和層5、アバランシェ増倍層4、バッファ層2を除去して形成したが、少なくとも電界緩和層5を除去すればよい。
Although the distance between the
The
実施の形態3.
図12は本発明の実施の形態3によ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。本実施の形態では、上記実施の形態1〜2で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、少なくとも除去された光吸収層6の側面25を覆うようにSiNxにより保護膜12を形成した。
前記保護膜12を設けることにより、酸化や水分吸収を防止できるため、暗電流発生を抑制でき、長期信頼性を得ることができる。さらに素子取り扱い時の接触による破損の防止ができる効果もある。
FIG. 12 is a sectional view showing a schematic structure of an avalanche photodiode according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, in the avalanche photodiode described in Embodiment 1-2 of the above embodiment, to form a protected by
By providing the
なお、保護膜12としてSiNxを用いれば反射防止の効果をもたせることもできるため好ましいが、保護の観点からSiOxなどの誘電体やポリイミドなど有機材料を用いてもよい。
本実施の形態の図12では、保護膜12を、光吸収層6の側面25のみでなく上面および他の層の側面にも設けた例を示したが、少なくとも除去された光吸収層6の側面25を覆えば、その他は必要な部位のみ部分的に設けてもよい。
It is preferable to use SiNx as the
FIG. 12 of the present embodiment shows an example in which the
実施の形態4.
図13は本発明の実施の形態4によ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。上記参考例1と同様にして、n型InP基板1上に、キャリア濃度2×1018〜2×1019cm−3のn型AlInAs/GaInAs分布ブラッグ反射層23を所定の厚みに、n型AlInAs反射調整層24を所定の厚みに、i型AlInAsアバランシェ増倍層4を0.1〜0.3μmに、キャリア濃度1×1017〜2×1018cm−3のp型InP電界緩和層5を0.03〜0.06μmに、キャリア濃度1〜5×1015cm−3のp型GaInAs光吸収層6を1.0〜1.5μmに、i型GaInAs遷移層7を0.02〜0.2μmに、i型InP窓層8を1.0〜2.0μmに、i型GaInAsコンタクト層9を0.1〜0.4μmに順次成長させた。
FIG. 13 is a sectional view showing a schematic structure of an avalanche photodiode according to the fourth embodiment of the present invention. In the same manner as in Reference Example 1 , an n-type AlInAs / GaInAs distributed Bragg
ここで上記分布ブラッグ反射層23の所定の厚みとは、検出したい光の波長をλ,屈折率をnとして、λ/(4n)の奇数倍で与えられるブラッグ反射条件を満たすものとする。好ましくは最も小さいλ/(4n)とするのがよい。
また、反射調整層24の所定の厚みとは、該厚みをtr、屈折率をnr、アバランシェ増倍層4の厚みをta、屈折率をna、電界緩和層5の厚みをte、屈折率をneとすると、
tr=1/(4×nr)(k×λ−4×(ta×na+te×ne))>0
(kは奇数)
を満たすものである。好ましくは最小値を使用するのがよい。
Here, the predetermined thickness of the distributed
Further, the predetermined thickness of the
t r = 1 / (4 × n r) (k × λ-4 × (t a × n a + t e × n e))> 0
(K is an odd number)
It satisfies. The minimum value is preferably used.
さらに上記参考例1と同様にして、p型導電領域10、コンタクト層9を形成し、上記参考例4と同様にして側面除去し、上記実施の形態3と同様にしてSiNxにより、上面および側面に保護膜12を形成した。
Further in the same manner as in Reference Example 1, p-type
本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードにおいて、n電極13をプラス、p電極14をマイナスとして外部から逆バイアス電圧を加えた状態で光28を入射させると、光は光吸収層6で吸収され電子−ホール対を生成する。一部の光は上記光吸収層6で吸収されずに透過されるが、上記所定の厚みを有する反射調整層24と分布ブラッグ反射層23によって効果的に反射されて再び光吸収層6に入射され、吸収される。この光はさらに電子−ホール対を生成し、逆バイアス電圧により光吸収層6が空乏化している領域では、電界により発生した電子はプラス側に、ホールはマイナス側にドリフトする。遷移層7に達したホールは上記各層間での価電子帯の不連続量が抑えられているので、滞ることなくp型導電領域10に達する。したがってさらに高速な応答が可能となる。
特に逆バイアス電圧が充分に高い時、アバランシェ増倍層4に達した電子はイオン化して電子−ホール対を生成し、生成された電子、ホールもそれぞれ反対方向にドリフトする。これらの電子、ホールがさらにイオン化することにより電子、ホールが雪崩的に増倍することができる。
In the avalanche photodiode according to the present embodiment, when the light 28 is incident with the n-
In particular, when the reverse bias voltage is sufficiently high, electrons that have reached the
本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードにおける電界強度分布についても上記参考例1で示した図2と同様に、アバランシェ増倍層4中でイオン化によるアバランシェ増倍を引き起こすよう最も高くなり、電界緩和層5中において変化し、光吸収層6でトンネルブレークダウンが生じないようにできる。さらに図3と同様に各層と平行方向(面方向)の電界強度分布は、アバランシェ増倍層4中でp型導電領域10直下が最も高く、エッジブレークダウンを生じないようになっている。またバンドギャップの大きい遷移層7を設けたので、さらにブレークダウンは生じにくい。また光吸収層6を側面除去したので、暗電流経路が遮断され、遷移層7での電界強度の立ち上がりを、上記参考例2の例よりさらに抑えることができた。
The electric field intensity distribution in the avalanche photodiode according to the present embodiment is also the highest so as to cause avalanche multiplication due to ionization in the
図14は、本実施の形態による受光感度分布を示した特性図であり、ピークを1とした規格化光電流で表している。図14よりp型導電領域10中央部において最も感度が高く、エッジブレークダウンがなく良好なアバランシェ増倍が得られることがわかる。
本実施の形態では、分布ブラッグ反射層23および反射調整層24を設けたので、光吸収層6において吸収されずに透過した光を再度光吸収層6へ向けて反射させることができるので、光吸収層6での光吸収量をより高めることができる。したがってアバランシェフォトダイオードの光感度を高めることが可能となる。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the light receiving sensitivity distribution according to the present embodiment, which is represented by a normalized photocurrent with a peak of 1. FIG. 14 shows that the sensitivity is highest in the central portion of the p-type
In the present embodiment, since the distributed
なお、本実施の形態では分布ブラッグ反射層23をAlInAs/GaInAsとする例を示したが、屈折率の高い層と低い層を交互に積層すればよい。屈折率の高い層としては、GaInAsやAs組成比の高いGaInAsPや、Ga組成比の高いAlGaInAsなどを用いることができる。屈折率の低い層としては、Al組成比の高いAlGaInAs特にAlInAs、P組成比の高いGaInAsP、InPを用いることができる。
また、本実施の形態では、反射調整層24として屈折率の低いAlInAsを用いた例を示したが、InP、AlGaInAs、GaInAsPなどを用いてもよい。
分布ブラッグ反射層23、反射調整層24におけるn型キャリア濃度については、抵抗が動作速度に対し問題とならない範囲で変化させればよく大きいほどよい。
In the present embodiment, an example in which the distributed
In this embodiment, an example in which AlInAs having a low refractive index is used as the
As for the n-type carrier concentration in the distributed
また、本実施の形態では、基板1とアバランシェ増倍層4との間にブラッグ反射層23および反射調整層24を設けた例を示したが、光吸収層6の光出射面側にブラッグ反射層23および反射調整層24が所定の厚みで設けられていればよい。光吸収層6とブラッグ反射層23との間に他の層が挟まれていてもよい。この場合、ブラッグ反射層23の所定の厚みは、検出する光の波長をλ、前記ブラッグ反射層の屈折率をnとしたときに、λ/(4n)で表される数値の奇数倍とし、反射調整層24の所定の厚みtrは、反射調整層24の屈折率をnr、光吸収層6とブラッグ反射層23との間に挟まれる層の厚みをt1、t2、・・・tn、屈折率をn1、n2、n3、・・・nn、kを奇数としたときに、tr=1/(4×nr)(k×λ−4×Σ(tn×nn))>0
を満たす数値であればよい。
In the present embodiment, an example in which the
Any numerical value that satisfies the above requirement is acceptable.
また、本実施の形態では、電界緩和層5まで側面除去する例について説明したが、反射調整層24に至るまで側面除去してもよい。
反射調整層24まで側面除去することにより、空乏化領域11の露出を防止できるので、さらに信頼性が向上する。
In this embodiment, the example in which the side surface is removed up to the electric
By removing the side surfaces up to the
実施の形態5.
図15は、本発明の実施の形態5によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。本実施の形態では上記実施の形態1〜4で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、側面除去した後、外周部に絶縁膜15を設け、この絶縁膜15の一部を除去してn電極13を形成した。本実施の形態のアバランシェフォトダイオードは、素子表面にn電極13とp電極14とを配置させることができるため、n電極13、p電極14ともにワイヤ配線接合が可能となる。また、n電極13にAuZnなどを用いてバンプ電極を形成すれば、フリップチップ実装が可能となる。また、n電極13とp電極14を同材料にして同時に形成することもできる。
FIG. 15 is a sectional view showing a schematic configuration of the avalanche photodiode according to the fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, in the avalanche photodiode shown in the first to fourth embodiments, after the side surface is removed, the insulating
なお、本実施の形態における絶縁膜15は保護膜12を流用してもよい。
また本実施の形態において、反射調整層24上にn電極13を形成する例を示したが、反射調整層24およびブラッグ反射層23を構成する層のうち、バンドギャップの小さい層上に配置すればコンタクト抵抗を低減することができる。材質としてはGaInAsとコンタクトさせることが好ましい。
Note that the
In the present embodiment, an example in which the n-
また、本実施の形態では反射調整層24に至るまで側面除去した例を示したが、光吸収層6まででもよく、電界緩和層5あるいはアバランシェ増倍層4まででもよい。また遷移層7を省略してもよい。反射調整層24、分布ブラッグ反射層23を省略してもよい。上記参考例3で示したp型周辺導電領域110を設けてもよい。
Further, in the present embodiment, the example in which the side surface is removed up to the
また、側面除去は劈開面27まですべて行う必要はなく、例えば図16に示すように外周の第1導電型半導体基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層が除去されるように上面から除去してとまり孔30を部分的に形成してもよい。図17は、とまり孔30を設けた場合の電流および増倍率Mと逆バイアス電圧の関係を示した特性図である。図中破線は、上記側面除去せず単に劈開して素子分離した上記実施の形態1のアバランシェフォトダイオードの暗電流特性である。とまり孔30を設けることにより、空乏化領域の拡がりが変化するので光電流(図中Iphoto)が一旦減少するが、上記参考例4と同様に暗電流を10−8Aレベル(図中Idark実線)まで低減できることがわかる。
Further, it is not necessary to remove all the side surfaces up to the cleaved
なお、前記とまり孔30の形状は特に限定するものではなく、リング状、トラック形状に残してもよい。前記リング状とは、円形の中央部を抜いた形状のみではなく、四角形状、多角形状の中央部を抜いた形状も含む。電界集中を防止できるように角部に丸みを設けた形状が好ましい。同様に前記トラック形状とは、長方形の両端を半円で囲み、中央部を抜いた形状を指すが、前記半円部は、四角形状、多角形状の一部である形状を含む。同様に角部に丸みを設けた形状が好ましい。また、前記トラック形状は、楕円形状の中央部を抜いた形状も含む。
The shape of the
また、図18に示すように、前記とまり孔30を設け、さらにその外側に第2のとまり孔30を設けてもよい。複数のとまり孔30を設けるとハンドリング時に発生するチッピング、キズを外側でとめることができ、歩留まり、信頼性が向上できる。
Moreover, as shown in FIG. 18, the said
また、n電極13を上面に引き出すようにすれば、さらに実装が容易となる。外周部にp型周辺導電領域110を設けてもよい。
Further, if the n-
上記実施の形態1〜5において、基板1に半絶縁性基板29を用いて、表面入射としてもよい。この場合静電容量を抑えることができるので動作帯域を向上することができる。
In the first to fifth embodiments, a
なお、本実施の形態では、素子表面にn電極13とp電極14とを配置させるために、とまり孔30を設ける例を示したが、とまり孔30は、第2導電型導電領域10を含み、前記第2導電型導電領域の周囲の第2の半導体層8を残し、その外周の基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層の側面除去する手段として用いることができる。すなわち上記実施の形態1〜4における基板1の裏面に第1電極13を設けた本発明のアバランシェフォトダイオードにおいて、側面除去手段として、とまり孔30を設けることもでき、同様に暗電流を低減できる効果を奏する。
In the present embodiment, the example in which the
実施の形態6.
図19は、本発明の実施の形態6によるアバランシェフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。本実施の形態では上記実施の形態1〜5で示したアバランシェフォトダイオードにおいて、基板1にFeドープなどによるInPなどの半絶縁性基板29を用いる。また光28を半絶縁性基板29基板側から入射させる。半導体の積層方法としては、例えば半絶縁性基板29上に、キャリア濃度2×1018〜2×1019cm-3のn型AlInAsバッファ層19、i型AlInAsアバランシェ増倍層4を0.1〜0.3μm、キャリア濃度1×1017〜2×1018cm-3のp型InP電界緩和層5を0.03〜0.06μm、キャリア濃度1×1015〜5×1015cm-3のp型GaInAs光吸収層6を1.0〜1.5μm、i型AlGaInAs遷移層7を0.02〜0.2μm、i型InPの第2の半導体層8(裏面より光入射させる場合はキャップ層として機能する)を1.0〜2.0μm、i型GaInAsコンタクト層9を0.1〜0.4μm順次成長させた後、p型導電領域10、GaInAsコンタクト層9、およびp電極14を形成した。
さらにn型AlInAsバッファ層19に至るまで側面除去し、上面および側面25を覆うように保護膜12を設け、n型AlInAsバッファ層19にコンタクトさせるようにn型電極13を形成した。
FIG. 19 is a sectional view showing a schematic configuration of the avalanche photodiode according to the sixth embodiment of the present invention. In the present embodiment the avalanche photodiode shown in the first to fifth above embodiment, using a
Further, the side surface was removed up to the n-type
本実施の形態のアバランシェフォトダイオードは、上述のように構成したので、裏面より光28を入射させ、光吸収層6を透過した光をp電極14によって反射させることができる。またn電極13とp電極14をInP半絶縁性基板29の表面に設けているので、フリップチップ実装が可能である。またFeドープInP半絶縁性基板を用いることにより電気容量を低減できるので、高速化が可能となる。基板での吸収を抑制する効果もある。また側面25を設けているので、側面入射導波路型としても利用でき、素子容量を低減できる。
Since the avalanche photodiode according to the present embodiment is configured as described above, the light 28 can be incident from the back surface, and the light transmitted through the
本実施の形態では、半絶縁性基板29の裏面に光28を入射させるようにしたが、半絶縁性基板29に反射防止膜を設けてもよい。n型AlInAsバッファ層19に替えてn型バッファ/クラッド層としてもよい。p型導電領域10の周辺にp型周辺導電領域110を設けてもよい。
In this embodiment, the light 28 is incident on the back surface of the
なお、上記実施の形態1〜6において、第1導電型としてn型を、第2導電型としてp型を、第1電極としてn電極を、第2電極としてp電極を用いた例を示したが、第1導電型としてp型を、第2導電型としてn型を、第1電極としてp電極を、第2電極としてn電極を用いてもよい。 Note that in the first to sixth the embodiments, the n-type as the first conductivity type, a p-type as the second conductivity type, an n-electrode as a first electrode, an example of using a p-electrode as a second electrode However, the p-type may be used as the first conductivity type, the n-type may be used as the second conductivity type, the p-electrode may be used as the first electrode, and the n-electrode may be used as the second electrode.
導電領域10の形成は、固相拡散の例を示したが、気相拡散を用いてもよい。
n電極13、p電極14の材料としては、AuZn/Au、AuGe/Ni/Au,Ti/Auを用いてもよい。
アバランシェ増倍層4としては、GaInAsP、AlInAs/AlGaInAs超格子、AlInAs/GaInAsP超格子としてもよい。
なお上記実施の形態1〜10において、アバランシェ増倍層4は、電子をより増倍するAl系材料を用いた例を示したが、増倍層側がp型の場合、ホールが増倍層に動くため、ホールをより増倍できるInP系材料をアバランシェ増倍層4として用いることができる。
電界緩和層5は、バンドギャップが大きい材料が好ましい。InPはホール、AlInAsは電子のイオン化率が高いため、電子のイオン化率がより高い材料、例えばAlInAsなどのAl系材料をアバランシェ増倍層4に用いる際には、同じく電子のイオン化率が高いAlInAs電界緩和層5を用いれば、動作速度、雑音についてより優れた特性を得ることができる。
The formation of the
As materials for the n-
The
In the first to tenth embodiments, the
光吸収層6については、i型としてもよく、3×1016cm-3以下のn導電型としてもよい。また前記i型、n導電型は光吸収層6の上部のみでもよい。
遷移層7については、AlInAs、GaInAsPとしてもよい。
窓層8については、AlInAs、AlGaInAsとしてもよい。またFeをドープした半絶縁性型としてもよい。
コンタクト層9については、非導電型であってもよい。窓層8の導電領域10とp電極14とが低抵抗でコンタクトできれば省略してもよい。
The
The
The
The
なお、上記実施の形態1〜6それぞれの組合せの形態においても上記効果を奏する。 In addition, there exists the said effect also in the form of each combination of the said Embodiment 1-6 .
1 基板、2、19 第1の半導体層、3 ストッパ層、4 アバランシェ増倍層、5 電界緩和層、6 光吸収層、7 遷移層、8 第2の半導体層、9 コンタクト層、10 第2導電型導電領域、11 空乏化領域、12 保護膜、13 第1電極、14 第2電極、15 絶縁膜、23 ブラッグ反射層、24 反射調整層、25 側面、26 溝、27 劈開面、28 光、 29 半絶縁性基板、30 とまり孔、110 第2導電型周辺導電領域、120 表面保護膜兼反射防止膜。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第2導電型導電領域および前記第2導電型導電領域の周囲の第2の半導体層の一部を残し、その外周の基板上に積層された層のうち、少なくとも光吸収層が除去されて前記光吸収層の側面が形成され、前記光吸収層は前記アバランシェ増倍層より狭く、さらに、前記電界緩和層より狭く形成されて前記電界緩和層との間に段差が設けられていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。 A first electrode and a substrate having a first semiconductor layer of a first conductivity type electrically connected to the first electrode, the substrate including at least an avalanche multiplication layer, an electric field relaxation layer , in order of steps ; A light absorption layer and a second semiconductor layer having a larger band gap than the light absorption layer are sequentially stacked, and a second conductive type conductive region is formed in the second semiconductor layer, and the second conductive layer is formed. The mold conductive region is electrically connected to the second electrode; and
The second leaving a part of the semiconductor layer around the second conductivity type conductive region and the second conductivity type conductive region, among the layers stacked on the substrate of the outer periphery thereof, at least a light-absorbing layer is removed side surface of the light absorbing layer is formed, the light absorption layer is smaller than the avalanche multiplication layer, further, that the step is provided between the electric field relaxation layer is formed narrower than the electric field relaxation layer A characteristic avalanche photodiode.
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