CN103081130A - 雪崩光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够降低台面表面所引起的暗电流的APD。APD（301）具备：半绝缘性基板（1）；在半绝缘性基板（1）面上，按照p型电极层（2）、p型光吸收层（3A）、低杂质浓度的光吸收层（3B）、带隙倾斜层（4）、p型电场控制层（5）、雪崩倍增层（6）、n型电场控制层（7A）、以及低杂质浓度的电子行进层（7B）的顺序层叠的第1层叠结构所构成的第1台面（101）；从层叠方向观察时，外周处于第1台面（101）的外周的内侧，在电子行进层（7B）侧的表面上，按照n型电极缓冲层（8A）、以及n型电极层（8B）的顺序层叠的第2层叠结构所构成的第2台面（102）；和比p型电场控制层（5）处于第2台面（102）侧的层的、在第1台面（101）的外周的内侧包围第2台面（102）的外周的包围部分（14）中形成，防止在偏置施加时p型电场控制层（5）的包围部分耗尽化的耗尽化抑制区域（11）。

Description

雪崩光电二极管
技术领域
本发明涉及雪崩光电二极管的设备构造。
背景技术
作为10－Gb/s光通信系统用的高灵敏度的接收设备，广泛使用雪崩倍增形光电二极管（雪崩光电二极管、APD）。虽然使InP成为雪崩倍增层（雪崩层）的空穴注入形是典型的APD构造，但近年来，在高速性和雪崩过剩噪声特性的点上，将InAlAs用于雪崩倍增层的电子注入形APD得到了注目。其中，在电子注入形时，电子与空穴间的离子化率比更大，所以雪崩过剩噪声更低，相应地增益频带积（GB积）大，所以相比于空穴注入形APD，接收灵敏度更优良。
为了确保APD的正常的动作，必需用于抑制结周边的边缘击穿的所谓“保护环技术”。在空穴注入形中，使用所谓“离子注入类型的保护环构造”，但一般难以将同样的形式的保护环应用于电子注入形APD。
此处，提出了几个不制作意图的保护环而避免边缘击穿的构造。专利文献1是其中之一，是在基板侧配置埋入n电极层来规定雪崩区域的结构。对于该构造，由于能够使用p型的InGaAs光吸收层，所以受光灵敏度优良。另外，通过修正专利文献1的构造，还提出了更稳定地抑制边缘电场的方法（例如，参照专利文献2）。
图10是专利文献2公开的反转形APD构造。在该构造中，在基板侧配置InGaAs的p型光吸收层33A、InGaAs的光吸收层33B，在雪崩倍增层36与n型电极缓冲层38A之间，设置了相比于雪崩倍增层36降低了电场的“电子行进层37B”。是使APD的内部电场分布成为“低（光吸收层（33A、33B））－高（雪崩倍增层36）－低（电子行进层37B）”，而在n型电极缓冲层38A和电子行进层（37B）中发生了边缘电场的构造。由于能够使电子行进层37B的带隙比InGaAs充分大（例如InP、InAlAs），所以即使存在依赖于n型电极缓冲层38A以及n型电极层38B的形状的电场集中，也不会达到该部分的电场集中所致的击穿。同时，通过在n型电极缓冲层38A与雪崩倍增层36之间插入电子行进层37B来隔开距离，边缘电场不会波及雪崩倍增层36，而能够抑制边缘击穿。
专利文献1：日本专利4234116号
专利文献2：日本特开2010－147177号公报
发明内容
但是，对于专利文献2的反转形APD构造，包括光吸收层（33A、33B）的第1台面101侧面的p型光吸收层33A以及低浓度的光吸收层33B的表面露出，所以无法将台面表面所引起的暗电流始终抑制为低的等级。其与由于化合物半导体的表面所引起的间隙中能级，在p型半导体的表面中形成电子沟道关联。即，即使在热平衡状态下，仍成为在表面感应一定的电子的状态，在施加了电压的动作状态下，该表面沟道电子沿着雪崩倍增层36的表面流入n型电极缓冲层38A侧成为暗电流的发生原因。
为了抑制该暗电流的发生，考虑使n型电场控制层37A部分的电场变化比p型电场控制层35的电场变化充分小这样的手法。图11以及图12分别是图10的设备的偏置时的Y3－Y3’剖面、Y4－Y4’剖面的示意的带图。如果n型电场控制层37A首先耗尽化，而成为在p型电场控制层35的p型光吸收层33A侧残留中性层的状态，则如图12所示，成为在第1台面101的侧面附近（Y4－Y4’）的p型光吸收层33A中不发生电压的状态在原理上是可能的。但是，这样的构造存在由于电子行进层37B的电场下降大且动作电压高而发生电子行进层37B的边缘击穿这样的危险性。即，专利文献2记载的反转形APD构造存在如果使暗电流降低，则动作电压易于上升、或者易于发生边缘击穿、边缘隧道电流这样的课题。
因此，本发明的目的在于提供一种能够降低台面表面所引起的、包含隧道电流的暗电流的APD。
为了达成上述目的，本发明的APD具备防止在偏置施加时所述p型电场控制层的所述包围部分耗尽化的耗尽化抑制区域。
具体而言，本发明的APD具备：半绝缘性基板；在所述半绝缘性基板面上，按照p型电极层、p型光吸收层、低杂质浓度的光吸收层、带隙倾斜层、p型电场控制层、雪崩倍增层、n型电场控制层、以及低杂质浓度的电子行进层的顺序层叠的第1层叠结构所构成的第1台面；从层叠方向观察时，外周处于所述第1台面的外周的内侧，在所述第1台面的所述电子行进层侧的表面上，按照n型电极缓冲层、以及n型电极层的顺序层叠的第2层叠结构所构成的第2台面；以及比所述第1台面的所述p型电场控制层处于所述第2台面侧的层的、在从层叠方向观察时在所述第1台面的外周的内侧包围所述第2台面的外周的包围部分中形成，防止在偏置施加时所述p型电场控制层的所述包围部分耗尽化的耗尽化抑制区域。
由于耗尽化抑制区域的存在，p型电场控制层的耗尽化被保持为不完全的状态。因此，光吸收层的电位不会下降，能够将光吸收层的表面所引起的暗电流抑制得较低。因此，本发明能够提供能够抑制台面表面所引起的暗电流的APD。
本发明的APD的所述耗尽化抑制区域是使处于所述n型电场控制层的所述包围部分的施主惰性化而形成的。通过使包围范围的n型电场控制层的施主惰性化，能够形成耗尽化抑制区域。
本发明的APD的所述耗尽化抑制区域是从所述第1台面去除了所述电子行进层以及所述n型电场控制层的所述包围部分的切口部。通过去除包围范围的n型电场控制层，能够形成耗尽化抑制区域。
本发明的APD的所述第1台面比所述包围部分的内周在外侧具有从所述电子行进层到达至所述p型光吸收层的p型杂质区域。p型杂质区域能够使第1台面侧面全部成为相同电位。因此，能够进一步降低发生暗电流。
本发明能够提供能够降低台面表面所引起的暗电流的APD。
附图说明
图1是说明本发明的APD的图。（a）是上面图、（b）是剖面图。
图2是说明本发明的APD的图。
图3是说明本发明的APD的带图。
图4是说明本发明的APD的带图。
图5是说明本发明的APD的图。
图6是说明本发明的APD的带图。
图7是说明本发明的APD的图。
图8是说明本发明的APD的图。
图9是说明本发明的APD的图。
图10是说明以往的APD的图。
图11是说明以往的APD的带图。
图12是说明以往的APD的带图。
（符号说明）
1、31：半绝缘性基板；2、32：p型电极层；3A、33A：p型光吸收层；3B、33B：光吸收层；4、34：带隙倾斜层；5、35：p型电场控制层；6、36：雪崩倍增层；7A、37A：n型电场控制层；7B、37B：电子行进层；8A、38A：n型电极缓冲层；8B、28B、38B：n型电极层；9、39：n电极；10、40：p电极；11、11’：耗尽化抑制区域；12A、22B：耗尽区域；12B：活性区域；13：空穴残留的部分；14：包围部分；15：p型杂质区域；101：第1台面；102：第2台面；300、301、302、303、304、305：APD。
具体实施方式
以下，具体示出实施方式来详细说明本发明，但本申请的发明不限于以下的记载。另外，在本说明书以及附图中符号相同的构成要素表示相互相同的部分。
（实施方式1）
图1是说明APD301的元件的示意图。图1（a）是上面图，图1（b）是剖面图。另外，在本说明书中，相对半绝缘性基板1，使n电极9侧成为上侧以及层叠方向而进行说明。
APD301具备：半绝缘性基板1；在半绝缘性基板1面上，按照p型电极层2、p型光吸收层3A、低杂质浓度的光吸收层3B、带隙倾斜层4、p型电场控制层5、雪崩倍增层6、n型电场控制层7A、以及低杂质浓度的电子行进层7B的顺序层叠的第1层叠结构所构成的第1台面101；从层叠方向观察时，外周处于第1台面101的外周的内侧，在第1台面101的电子行进层7B侧的表面上，按照n型电极缓冲层8A、以及n型电极层8B的顺序层叠的第2层叠结构所构成的第2台面102；和比第1台面101的p型电场控制层5处于第2台面102侧的层的、在从层叠方向观察时在第1台面101的外周的内侧包围第2台面102的外周的包围部分14中形成，在偏置施加时防止p型电场控制层5的包围部分耗尽化的耗尽化抑制区域11。进而，APD301在n型电极层8B上具备环状的n电极9，并在与第1台面101不同的部分的p型电极层2上具备p电极10。APD301是电子注入形APD元件。
例如，半绝缘性基板1是InP，p型电极层2是p－InAlGaAs，p型光吸收层3A是p型地掺杂了的InGaAs，光吸收层3B是InGaAs，带隙倾斜层4是使带隙向层叠方向（上侧方向）逐渐扩展的InAlGaAs，p型电场控制层5是p－InAlAs，雪崩倍增层6是InAlAs，n型电场控制层7A是n－InAlAs，电子行进层7B是低杂质浓度的InP，n型电极缓冲层8A是低杂质浓度的InGaAsP，n型电极层8B是InGaAsP。
APD301的耗尽化抑制区域11是通过离子注入等使处于n型电场控制层7A的包围部分14的施主惰性化而形成的。
为了制作APD301，例如，在半绝缘性基板1上，从p型电极层2至n型电极层8B，依次使用MO－VPE法等而外延生长。在形成台面构造之前，在包围部分14所示的环形状的区域中进行氧的离子注入，使n型电场控制层7A的施主部分惰性化。包括n型电场控制层7A的该部分成为耗尽化抑制区域11。
接下来，对外延生长的各层实施台面加工，形成第1台面101以及第2台面102。台面加工与通常的台面形的APD的制作工序相同。例如，使用化学蚀刻，从上部依次，从n型电极层8B和n型电极缓冲层8A形成圆筒状的第2台面102。接下来，对电子行进层7B和其下部依次进行台面加工，形成圆筒状的第1台面101。之后，形成n电极9、以及p电极10，根据需要进行布线、元件分离等。
图2是说明对APD301施加了偏置的动作状态下的、设备构造内的耗尽化的样子的图。对于各层，在施加了电压的动作状态下，以使虚线部12A所示的部分（从p型光吸收层3A的n型电极层8B侧的一部分，光吸收层3B、带隙倾斜层4、p型电场控制层5、雪崩倍增层6、n型电场控制层7A、电子行进层7B、n型电极缓冲层8A的半绝缘性基板1侧的一部分）耗尽化的方式，调整掺杂浓度。
在对n电极9与p电极10之间施加了充分的电压时，形成耗尽区域12A、活性区域12B以及中性区域13。耗尽区域12A是伴随电压的施加而耗尽化的p型光吸收层3A的一部分。活性区域12B是在n型电极缓冲层8A的雪崩倍增层6侧部分耗尽化了的部分中，在边缘电场中耗尽化特别增大的部分。中性区域13处于耗尽化抑制区域11的下部，是空穴残留的p型电场控制层5的一部分。
使用图2、图3以及图4，说明对APD301施加了偏置的动作状态下的、设备构造内的耗尽化的样子。如上所述，在动作时，第2台面102的下部成为活性区域。即，对于第2台面102的下部，从p型光吸收层3A中产生的耗尽区域12A至n型电极缓冲层8A中产生的活性区域12B耗尽化，从光吸收层3B到雪崩倍增层6、电子行进层7B感应适当的电场。图3是图2的Y1－Y1’剖面的带图。n型电场控制层7A的施主浓度和p型电场控制层5的受主浓度被设定为相同的程度，但也可以使n型电场控制层7A的施主浓度更大。由于电子行进层7B被插入于雪崩倍增层6与n型电极缓冲层8A之间，所以能够抑制第2台面102的形状所引起的边缘电场波及雪崩倍增层6。
另一方面，由于对耗尽化抑制区域11进行氧的离子注入，而使n型电场控制层7A的施主部分惰性化，所以该部位的n型电场控制层7A的电场变化小，如图4所示，p型电场控制层5的耗尽化被保持为不完全的状态。因此，无光吸收层（3A、3B）的电位下降，能够将光吸收层（3A、3B）的表面所引起的暗电流抑制得较低，同时降低动作电压。
（实施方式2）
图5是说明APD302的元件的示意图（剖面图）。APD302与图1以及图2的APD301的差异点在于，APD302的耗尽化抑制区域11’并非使n型电场控制层7A的施主部分惰性化而形成，而是将n型电场控制层7A与电子行进层7B一起环状地蚀刻去除而形成的。即，耗尽化抑制区域11’是从第1台面101去除了电子行进层7B以及n型电场控制层7A的包围部分14的切口部。
为了制作APD302，与APD301同样地，在半绝缘性基板1上，从p型电极层2至n型电极层8B依次使用MO－VPE法等而外延生长。在形成了第2台面102之后，将环状的包围部分14直至到达n型电场控制层7A蚀刻去除而形成切口。该切口部分成为耗尽化抑制区域11’。之后，进行第1台面101的形成。电极的形成与APD301的情况相同。
如耗尽化抑制区域11’那样在p型电场控制层5上不存在n型电场控制层7A，所以即使在施加了偏置的状态下，在耗尽化抑制区域11’下仍残留抑制p型电场控制层5的耗尽化而保持中性的区域。因此，p型电场控制层5的半绝缘性基板1侧成为保持与带隙倾斜层4、光吸收层3B以及p型光吸收层3A相同的电位的状态。
因此，对于APD302，n型电场控制层7A的包围区域14部分的侧面表面的电位变化少、且针对从光吸收层（3A、3B）表面观察的电子形成有效的势垒。其结果，能够将APD302的暗电流保持得较低，同时抑制动作电压的上升。
图6是将环状的包围部分14直至到达n型电场控制层7A蚀刻去除了的部分的带图。不存在n型电场控制层7A，并且，雪崩倍增层6成为半导体层的最表面，其上成为低介电常数的层，所以成为在p型电场控制层5的半绝缘性基板1侧易于残留中性区域的状态。
（实施方式3）
图7至图9分别是说明APD303至APD305的元件的示意图（剖面图）。APD（303、304、305）与图5以及图6的APD302（实施方式2）的差异点在于，形成了至少从雪崩倍增层6到达p型光吸收层3A的p型杂质区域15。即，第1台面101比包围部分14的内周在外侧具有从电子行进层7B到达p型光吸收层3A的p型杂质区域15。
为了制作APD303，与APD301同样地，在半绝缘性基板1上，从p型电极层2至n型电极层8B依次使用MO－VPE法等而外延生长。接下来，环状地对Be进行离子注入（Be浓度是1017～1019/cm3的范围），形成到达至p型光吸收层3A的p型杂质区域15。之后，通过热处理使Be离子活性化。然后，进行与图5的APD302同样的台面加工、电极加工。
在图1以及图2的APD301和图5的APD302的情况下，虽然还依赖于第2台面102与第1台面101的外周的距离，但雪崩倍增层6的包围部分14的电位和其以下的p电极层（p型电场控制层5、带隙倾斜层4、光吸收层3B、p型光吸收层3A）的侧面电位不完全一致。因此，在第1台面101的侧面存在某种程度的电位下降。
另一方面，在APD303的情况下，在耗尽化抑制区域11’的形成中在雪崩倍增层6表面配置pn结端，第1台面101侧面被作为p型的中性区域的p型杂质区域15覆盖，所以不会引起第1台面101侧面的电位下降。因此，另一方面，对于APD303，包括p型光吸收层3A的第1台面101的侧面成为完全相同的电位。
因此，APD303能够排除第1台面101侧面的表面中的电子的影响，能够将暗电流保持得较低，同时抑制动作电压的上升。
p型杂质区域15的形状除了图7以外还有很多。图8是说明包围部分14远离第1台面101的外周的APD304的图。对于APD304，环状的Be注入部分15远离第1台面101的侧面。在该构造中，虽然第1台面101的侧面未成为p型，但不产生第1台面101的侧面的电位下降是明确的。
图9是说明通过Zn的热扩散形成了p型杂质区域15的APD305的图。对于APD305，与图7的APD303同样地，p型杂质区域15覆盖雪崩倍增层6的包围部分14以及第1台面101的侧面，所以如图7的APD303的说明，不会引起第1台面101的侧面的电位下降。
因此，图8的APD304以及图9的APD305与图7的APD303同样地能够排除第1台面101侧面的表面中的电子的影响，能够将暗电流保持得较低，同时抑制动作电压的上升。
在实施方式1至3中，叙述了使InAlAs成为雪崩倍增层、使InGaAs成为光吸收层的APD（301～305）的例子，但未限制半导体材料的种类。还能够将APD（301～305）中的说明的构造同样地应用于通过其他半导体材料的组合得到的APD元件。

Claims (4)

1.一种雪崩光电二极管，其特征在于包括：
半绝缘性基板；
在所述半绝缘性基板面上，按照p型电极层、p型光吸收层、低杂质浓度的光吸收层、带隙倾斜层、p型电场控制层、雪崩倍增层、n型电场控制层、以及低杂质浓度的电子行进层的顺序层叠的第1层叠结构所构成的第1台面；
从层叠方向看，外周处于所述第1台面的外周的内侧，在所述第1台面的所述电子行进层侧的表面上，按照n型电极缓冲层、以及n型电极层的顺序层叠的第2层叠结构所构成的第2台面；以及
比所述第1台面的所述p型电场控制层处于所述第2台面侧的层的、在从层叠方向看时在所述第1台面的外周的内侧包围所述第2台面的外周的包围部分中形成，防止在偏置施加时所述p型电场控制层的所述包围部分耗尽化的耗尽化抑制区域。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述耗尽化抑制区域是使处于所述n型电场控制层的所述包围部分的施主惰性化而形成的。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述耗尽化抑制区域是从所述第1台面去除了所述电子行进层以及所述n型电场控制层的所述包围部分的切口部。
4.根据权利要求3所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述第1台面比所述包围部分的内周在外侧具有从所述电子行进层到达至所述p型光吸收层的p型杂质区域。
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