JP2005116681A - 光半導体受光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガードリングの外周部のエッジブレークダウン電圧を高めたアバランシェフォトダイオードおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 第１導電型の化合物半導体基板１２の主面に入射光を吸収する光吸収層１３と、禁制帯の不連続性を緩和する障壁緩和層１４と、前記基板側に空乏層が伸びるのを防止する電界降下層１５と、入射光に対して透明な窓層１６を順次形成し、前記窓層１６に水平方向のキャリア濃度が内周部から外周部にかけて階段状に減少する第２導電型のガードリング１８と、前記ガードリング１８の内側全面に円形状の第２導電型の拡散領域１９を設ける。そして、ガードリング１８の水平方向のキャリア濃度を内周部１８ａ、中間部１８ｂ、外周部１８ｃの３段の階段状に形成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光半導体受光素子に係わり、特に光通信に用いられるアバランシェフォトダイオードおよびその製造方法に関する。

受光素子は光通信システムにおいて、光ファイバを通して伝播された光信号を感知して電気信号に変換するもので、この様な光半導体受光素子としてアバランシェフォトダイオードが多く使用されている。

アバランシェフォトダイオードとはｐｎ接合に大きな逆バイアス電圧を加えて強い電界を形成し、入射した光により生成されたキャリアをこの電界で加速して、衝突によって二次キャリアを発生するという過程を次々に繰り返すアバランシェ効果を利用して光電子増倍をおこなうものである。

従って、アバランシェフォトダイオードにおいては、動作電圧はｐｎ接合のブレークダウン電圧に近い値に設定されるので、ｐｎ接合面内で一様に降伏を起こすような均一な接合面が必要であが、通常、ｐｎ接合のエッジ部の曲率は中央部の曲率より小さいので逆バイアス電圧を加えると電界が集中しエッジ部の電界が中央部の電界より大きくなる。

その結果、中央部よりエッジ部でブレークダウンが生じるので、エッジブレークダウンを抑制するためにエッジ部にガードリングを設けてエッジ部のブレークダウン電圧が高くなるようにしている。

従来のガードリングを有するアバランシェフォトダイオードについて図を用いて説明する。図１４は従来のアバランシェフォトダイオードの構造を示す断面図である。

図１４に示すように、アバランシェフォトダイオード１０１は、ｎ−ＩｎＰ基板１０２に順次形成されたｎ−ＩｎＰバッファ層１０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０４、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ障壁緩和層１０５、ｎ^＋−ＩｎＰ電界降下層１０６、ｎ−ＩｎＰ窓層１０７と、このｎ−ＩｎＰ窓層１０７に形成されたキャリア濃度の低いｐ⁻ガードリング１０８と、ｐ⁻ガードリング１０８の内側全面に、キャリア濃度の高いｐ^＋拡散領域１０９を有している。

さらに、ｎ−ＩｎＰ窓層１０７の表面を保護する保護膜１１１、ｐ^＋拡散領域１０９に電気的接続をとるためのｐ側電極１１２とｎ側電極１１３、およびｐ^＋拡散領域１０９に入射した光の反射を防止する反射防止膜１１４を有している。

これにより、ｐ^＋拡散領域１０９を通過した光はｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０４に吸収されてキャリアを発生する。発生したキャリアはｎ^＋−ＩｎＰ電界効果層１０６で加速されて増倍領域１１０でアバランシェ効果により増倍される。

しかしながら、このような構造のアバランシェフォトダイオード１０１では、ｐ^＋拡散領域１０９とｐ⁻ガードリング１０８のキャリア濃度の差によってｐ^＋／ｐ⁻層の境界付近で水平方向の電界集中によるブレークダウンが起こり、ｐ⁻ガードリング１０８とｎ−ＩｎＰ窓層１０７の間でエッジブレークダウンが生じる恐れがある。

図１５はｐ⁻ガードリング１０８の水平方向のキャリア濃度分布を示す図、図１４はｐ⁻ガードリング１０８の水平方向の電界強度分布を示す図である。

図１５に示すように、例えば、キャリア濃度分布がｐ^＋拡散領域１０９の６Ｅ１９／ｃｍ３からｐ⁻ガードリング１０８の１Ｅ１６／ｃｍ３程度までステップ状に急激に変化する場合に、図１６に示すように、シミュレーションによれば、ｐ^＋／ｐ⁻層の境界付近に電界強度のピークａが見られ、水平方向に２．４Ｅ５Ｖ／ｃｍ程度の電界集中が生じていることが予想される。

このため、従来のアバランシェフォトダイオード１０１では、必ずしも十分なエッジブレークダウン電圧が得られず信頼性が低下するという問題がある。

これに対して、拡散層の表面の不純物濃度を低くして濃度勾配を緩くすることによりエッジブレークダウン電圧を向上させたガードリング構造を有するショットキーバリアダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に開示されたショットキーバリアダイオードについて図を用いて説明する。図１７はその深さ方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。図１７に示すように、ガードリング領域の拡散層の表面における不純物濃度を５Ｅ１７／ｃｍ３以下に下げて深さ方向の濃度勾配を緩くし、拡散層の深さＸを１．５μｍ以下に小さくして、ガードリング領域で起きていた破壊がｎ⁻層で起きるようにしている。

しかしながら、特許文献１に開示されたショットキーバリアダイオードは深さ方向の濃度勾配に対するものであり、横方向の濃度勾配については何ら開示していない。
特開平１０−１７３２０５号公報（３頁、図１）

上述した従来のアバランシェフォトダイオードでは、ｐ^＋拡散領域とｐ⁻ガードリングの水平方向の濃度勾配が大きいとｐ^＋／ｐ⁻層の境界付近に過度な電界集中が生じるため、ｐ⁻ガードリングの外周部でエッジブレークダウンが生じる恐れがあり、必ずしも十分なブレークダウン電圧が得られず信頼性が低下するという問題がある。

そのため、従来のアバランシェフオトダイオードを使用した光通信システムにおいては通信障害をもたらす恐れがある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ガードリングの外周部のエッジブレークダウン電圧を高めたアバランシェフォトダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様のアバランシェフオトダイオードでは、第１導電型の化合物半導体基板の主面に形成された入射光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層上に形成され、禁制帯の不連続性を緩和する障壁緩和層と、前記障壁緩和層上に形成され、前記化合物半導体基板側に印加される電界強度を抑える電界降下層と、前記電界降下層上に形成され、入射光に対して透明な窓層と、前記窓層にリング状に形成され、且つ前記リングの水平方向のキャリア濃度が前記リングの内周部から外周部にかけて階段状に減少する第２導電型領域と、前記リング状の第２導電型領域の内側全面に形成され、且つ前記リングの内周部に一部重複した円形状の第２導電型領域と、前記円形状の第２導電型領域に電気的接続をとるための電極とを有することを特徴としている。

本発明によれば、ｐ＋拡散領域とｐ−ガードリングの水平方向のキャリア濃度勾配を小さくしたので、ｐ＋／ｐ−層の境界付近の電界強度低減と電界集中が抑制され、ｐ＋／ｐ−層の境界付近でのブレークダウンの発生を防止できる。また、ガードリング外周部に向かってキャリア濃度が階段状に減少しているため、ガードリング外周端と窓層の間でのエッジブレークダウンの発生も抑制できる。

これにより、十分なブレークダウン電圧が得られ、信頼性の高いアバランシェフォトダイオードを提供することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例１に係わるアバランシェフォトダイオードを示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。

図１に示すように、本実施例のアバランシェフォトダイオード１１は、ｎ−ＩｎＰ基板１２に、例えばＭＯＣＶＤ法により順次形成されたｎ−ＩｎＰバッファ層１３と、入射光を吸収するｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４と、禁制帯の不連続性を緩和するｎ−ＩｎＧａＡｓＰ障壁緩和層１５と、基板側に印加される電界強度を抑えるｎ^＋−ＩｎＰ電界効果層１６と、入射光に対して透明なｎ−ＩｎＰ窓層１７を有している。

ｎ−ＩｎＰ窓層１７にはリング状のｐガードリング１８が形成され、このｐガードリング１８はキャリア濃度を順次低減した内周部１８ａ、中間部１８ｂ、外周部１８ｃを有している。これにより、ｐガードリング１８の水平方向のキャリア濃度が内周部から外周部にかけて低減するように構成されている。

ｐガードリング１８の内側全面にはキャリア濃度の高いｐ^＋拡散領域１９が形成される。ｐ^＋拡散領域１９の外周部はｐガードリング１８の内周部１８ａに一部重複しており、ｐ^＋拡散領域１９の厚さはｐガードリング１８の厚さより小さい。これにより、ｐ^＋拡散領域１９とｎ−ＩｎＰ窓層１７のｐｎ接合領域にキャリアを増倍する厚さｄの増倍領域２０が形成される。

また、ｎ−ＩｎＰ窓層１７には表面を保護する保護膜２１が形成され、ｐ^＋拡散領域１９には入射した光の反射を防止する反射防止膜２２が形成され、更に、ｐ^＋拡散領域１９に電気的接続をとるためのｐ側電極２３とｎ側電極２４がそれぞれ形成されている。

図２はｐガードリング１８の水平方向のキャリア濃度分布を図１５に示した従来例と比較して示したもので、図中の実線ａが本実施例による場合、破線ｂが従来例による場合である。

図２から明らかなように、実験によればキャリア濃度はｐ^＋拡散領域１９の６Ｅ１９／ｃｍ３程度に対して、ｐガードリング１８の内周部１８ａで３Ｅ１９／ｃｍ３程度、中間部１８ｂで１Ｅ１８／ｃｍ３程度、外周部１８ｃで１Ｅ１７／ｃｍ３程度と３段の階段状のキャリア濃度分布が得られている。

これにより、ｐ^＋拡散領域１９からｐガードリング１８のへの水平方向のキャリア濃度勾配が緩やかになり、ｐ^＋拡散領域１９とｐガードリング１８のｐ^＋／ｐ層の境界付近での電界強度を下げることが可能である。

図３はｐガードリング１８の水平方向のキャリア濃度分布に基づいてシミュレーションにより求めた電界強度分を図１６に示した従来例と比較して示したもので、図中の実線ａが本実施例による場合、破線ｂが従来例による場合である。

図３から明らかなように、シミュレーションによればｐ^＋拡散領域１９からｐガードリング１８への水平方向のキャリア濃度勾配を緩やにしたことによりｐ^＋／ｐ層の境界付近での電界強度はブロードなピークｃを示し、電界強度は９Ｅ４Ｖ／ｃｍ程度と従来例に比べて約１／３に低減している。

図４はアバランシェフォトダイオード１１の逆方向の電圧電流特性を測定した結果を従来例と比較して示したもので、図中の実線ａが本実施例による場合、実線ｂが従来例による場合である。

図４から明らかなように、実験によればブレークダウン電圧（逆方向電流が１００μＡになる逆方向電圧をブレークダウン電圧と称す）は従来例に比べて約７Ｖ向上している。また、従来例に見られる局所的なブレークダウンを示すキンクｃも見られないことから十分なブレークダウン電圧が得られている。

更に、階段状のキャリア濃度分布を種々変えた実験から、十分なブレークダウン電圧が得られるように電界強度を低減するには、ｐガードリング１８の内周部１８ａでの階段状のキャリア濃度はｐ^＋拡散領域１９のキャリア濃度からこのキャリア濃度の１／１０倍の範囲内にあり、ｐガードリング１８の外周部１８ｃでの階段状のキャリア濃度は入射光に対して透明なｎ−ＩｎＰ窓層１７のキャリア濃度からこのキャリア濃度の１０倍の範囲内にあることが好ましい。

以上説明したように、実施例１に係わるアバランシェフォトダイオードでは、ｐガードリング１８にキャリア濃度を順次低減した内周部１８ａ、中間部１８ｂ、外周部１８ｃを有しているので、ガードリング１８において内周部から外周部に向かって水平方向のキャリア濃度が階段状に減少するキャリア濃度分布が得られる。

これによって、ｐ^＋拡散領域１９からｐガードリング１８への水平方向のキャリア濃度勾配が緩やかになり、ｐ^＋拡散領域１９とｐガードリング１８のｐ^＋／ｐ層の境界付近での電界強度を下げることが可能である。

従って、ｐガードリング１８の外周部１８ｃでのエッジブレークダウン電圧が高まり、アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧が向上する。

ここでは、ｐ^＋拡散領域１９からｐガードリング１８の水平方向のキャリア濃度分布が３段の階段状の場合について説明したが、ｐガードリング１８の内周部１８ａでの階段状のキャリア濃度がｐ^＋拡散領域１９のキャリア濃度の１／１０以内、ｐガードリング１８の外周部１８ｃでの階段状のキャリア濃度がｎ−ＩｎＰ窓層１７のキャリア濃度の１０倍以内であれば、ｐガードリング１８の中間部１８ｂのキャリア濃度分布は特に限定されない。

例えば、ｐガードリング１８の中間部１８ｂのキャリア濃度分布が傾斜状で２段の階段状としても、あるいは更に段数を増やした階段状としても構わない。

次に、段数を更に増やすことにより、ｐガードリング１８の水平方向のキャリア濃度分布を傾斜状とした場合の変形例について説明する。

（実施例１の変形例）
図５および図６は実施例１の変形例に係わるガードリング１８のキャリア濃度および電界強度分布を示す図である。本変形例において、上記実施例１と同一の構成部分には、同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。

本変形例が実施例１と異なる点は、ガードリング１８において内周部から外周部に向かって水平方向のキャリア濃度分布の段数を更に多段、例えば７〜１１段に増やすことにより、水平方向のキャリア濃度分布を滑らかな傾斜状にしたことにある。

図５はｐガードリング１８の水平方向のキャリア濃度分布を図１５に示した従来例と比較して示したもので、図中の実線ａが本実施例による場合、破線ｂが従来例による場合である。また、図中の破線ｃ１、ｃ２は本変形例の実線ａを２段の傾斜で近似した線、破線ｄ１、ｄ２は従来例の破線ｂを２段の傾斜で近似した線を示している。

図５から明らかなように、実験によればキャリア濃度はｐ^＋拡散領域１９の６Ｅ１９／ｃｍ３に対して、ｐ^＋拡散領域１９と接しているｐガードリング１８の内周部１８ａで６〜１Ｅ１９／ｃｍ３、ｐ^＋拡散領域１９と離れているｐガードリング１８の外周部１８ｃで１Ｅ１９〜１Ｅ１６／ｃｍ３と傾斜状のキャリア濃度分布が得られている。

ここでは、濃度分布の傾斜を数値化するために、キャリア濃度が１桁（１ｄｅｃａｄｅ）低下するのに要する水平方向の距離を傾斜率と定義する。例えば、破線ｃ２は水平方向の距離が５．０μｍのときにキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３であり、キャリア濃度が１桁低下して１Ｅ１７ｃｍ−３になる水平方向の距離は５．５μｍである。これより破線ｃ２の傾斜率は（５．５−５．０）μｍ／（１ｄｅｃａｄｅ）＝０．５μｍ／ｄｅｃａｄｅとなる。

同様に、破線ｃ２の傾斜率は約３．２μｍ／ｄｅｃａｄｅ、破線ｄ１の傾斜率は約０．１６μｍ／ｄｅｃａｄｅ、破線ｄ２の傾斜率は５．４μｍ／ｄｅｃａｄｅとなる。傾斜率の定義より、数値が大きいほど傾斜が緩やかであることを示している。

これにより、ｐ^＋拡散領域１９からｐガードリング１８のへの水平方向のキャリア濃度勾配が緩やかになり、ｐ^＋拡散領域１９とｐガードリング１８のｐ^＋／ｐ層の境界付近での電界強度を更に下げることが可能である。

図６はｐガードリング１８の水平方向のキャリア濃度分布に基づいてシミュレーションにより求めた電界強度分を図１６に示した従来例と比較して示したもので、図中の実線ａが本実施例による場合、破線ｂが従来例による場合である。

図６から明らかなように、シミュレーションによればｐ^＋拡散領域１９からｐガードリング１８への水平方向のキャリア濃度勾配を緩やにしたことによりｐ^＋／ｐ層の境界付近での電界強度はブロードなピークｃを示し、電界強度は７Ｅ４Ｖ／ｃｍ程度と従来例に比べて約１／３以下に低減している。

更に、傾斜状のキャリア濃度分布を種々変えた実験から、十分なブレークダウン電圧が得られるように電界強度を低減するには、破線ｃ１で示すｐガードリング１８の内周部１８ａの傾斜率および破線ｃ２で示すｐガードリング１８の外周部１８ｃの傾斜率は、それぞれ破線ｄ１で示す従来例のｐガードリング１０８の内周部の傾斜率より大きく、且つ破線ｃ１の傾斜率が破線ｃ２の傾斜率より大きい範囲内にあることが好ましい。

以上説明したように、実施例１の変形例に係わるアバランシェフォトダイオードでは、ｐガードリング１８にキャリア濃度を傾斜状に低減した内周部１８ａと外周部１８ｃを有しているので、ガードリング１８において内周部１８ａから外周部１８ｃに向かって水平方向のキャリア濃度が傾斜状に減少するキャリア濃度分布が得られる。

これによって、ｐ^＋拡散領域１９からｐガードリング１８への水平方向のキャリア濃度勾配が更に緩やかになり、ｐ^＋拡散領域１９とｐガードリング１８のｐ^＋／ｐ層の境界付近での電界強度を更に下げることが可能である。

従って、ｐガードリング１８の外周部１８ｃでのエッジブレークダウン電圧が高まり、アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧が向上する。

図７乃至図１３は、上述の実施例１に係わるアバランシェフォトダイオード１１の製造方法を工程順に示す図である。各図は、図１のガードリング１８およびｐ^＋拡散領域１９を形成する部分を示している。

図７は能動層３０を形成した化合物半導体基板を示す断面図、図８乃至図１２は外周に向かってキャリア濃度が階段状に減少するガードリング１８を形成する工程を示す図で、各図において（ａ）はその平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線乃至Ｆ−Ｆ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図、図１３はｐ^＋拡散領域１９を形成する工程を示す図で、図１３（ａ）はその平面図、図１３（ｂ）はＧ−Ｇ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。

始めに、能動層３０を形成する。即ち、図７に示すように、化合物半導体基板、例えばｎ−ＩｎＰ基板１２の主面に、例えばＭＯＣＶＤ法により下地となるｎ−ＩｎＰバッファ層１３を、例えばキャリア濃度１〜５Ｅ１８／ｃｍ３、厚さ２〜３μｍ程度形成する。

続けて、入射光を検出するＩｎＧａＡｓ光吸収層１４を、例えばキャリア濃度０．８〜２Ｅ１５／ｃｍ３、厚さ１．２μｍ程度、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓの禁制帯の不連続性を緩和するためのＩｎＧａＡｓＰ障壁緩和層１５を、例えばキャリア濃度２〜９Ｅ１５／ｃｍ３、厚さ０．５μｍ程度、ｎ−ＩｎＰ基板１２の側へ印加される電界強度を抑えるｎ−ＩｎＰ電界降下層１６を、例えばキャリア濃度６〜８Ｅ１６／ｃｍ３、厚さ０．３μｍ程度に順次形成する。

最後に、入射光に対して透明なｎ−ＩｎＰ窓層１７を、例えばキャリア濃度１〜５Ｅ１５／ｃｍ３、厚さ１μｍ程度形成してＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長を終了する。これにより、能動層３０が形成される。

次に、ガードリング１８を形成する。即ち、図８に示すように、ｎ−ＩｎＰ窓層１７に絶縁膜、例えばシリコン酸化膜３１をＣＶＤ法により厚さ０．２μｍ程度形成した後、フォトリソグラフィ法により内径２０μｍ、外径３０μｍ程度のリング状のシリコン酸化膜開口溝３２を形成する。

次に、図９に示すように、ｎ−ＩｎＰ窓層１７にレジスト膜３３を、例えば厚さ２μｍ程度形成した後、フォトリソグラフィ法によりシリコン酸化膜開口溝３２の内周に沿ってシリコン酸化膜開口溝３２の幅Ｗ、例えば５μｍより小さい溝幅Ｗ１、例えば２μｍ程度のリング状のレジスト膜開口溝３４を形成する。

その後、ｎ−ＩｎＰ窓層１７にレジスト膜３３ａ、３３ｂをマスクとしてｐ型ドーパント、例えばＢｅをドーズ量１Ｅ１４／ｃｍ２、加速電圧２００Ｋｅｖ程度でイオン注入する。これにより、ガードリング１８の内周部１８ａが形成され、ドーズ量が外周部に向けて階段状に減少する１段目の分布ａが得られる。

次に、図１０に示すように、レジスト膜３３のみを選択的に、例えばＣＤＥ法により厚さ１．５μｍ程度ステップエッチングするとレジスト膜３３ａ、３３ｂの側面も同時にエッチングされて後退する。一方、シリコン酸化膜３１ａはエッチングされないので、これにより、シリコン酸化膜３１ａを内周としレジスト膜３３ｂを外周とする溝幅がＷ２のリング状の開口溝３５が形成される。

その後、ｎ−ＩｎＰ窓層１７にレジスト膜３３ａ、３３ｂとシリコン酸化膜３１ａをマスクとしてｐ型ドーパント、例えばＢｅをドーズ量１Ｅ１３／ｃｍ２、加速電圧２００Ｋｅｖ程度でイオン注入する。これにより、ガードリング１８の中間部１８ｂが形成され、ドーズ量が外周部に向けて階段状に減少する２段目の分布ｂが得られる。

次に、図１１に示すように、更にレジスト膜３３のみを選択的に厚さ０．５μｍ程度ステップエッチングするとレジスト膜３３はすべて除去されてシリコン酸化膜３１ａ、３１ｂが露出するので、最初のシリコン酸化膜開口溝３２の溝幅Ｗが得られる。

その後、ｎ−ＩｎＰ窓層１７にシリコン酸化膜３１ａ、３１ｂをマクスとしてｐ型ドーパント、例えばＢｅをドーズ量１Ｅ１２／ｃｍ２、加速電圧２００Ｋｅｖ程度でイオン注入する。これにより、ガードリング１８の外周部１８ｃが形成され、ドーズ量が外周部に向けて階段状に減少する３段目の分布ｃが得られる。

次に、図１２に示すように、シリコン酸化膜３１ａ、３１ｂを、例えばフッ酸を含む溶液でエッチングして除去した後、イオン注入したＢｅを電気的に活性化するための熱処理を、例えば水素雰囲気中、温度６５０〜７００℃程度でおこなう。これにより、キャリア濃度が外周部に向かって階段状に減少する分布ｄを持つガードリング１８が形成される。

次に、図１３に示すように、ガードリング１８が形成されたｎ−ＩｎＰ窓層１７に誘電体膜、例えばＣＶＤ法によりシリコン窒化膜３６を厚さ０．１μｍ程度形成した後、フォトリソグラフィ法によりガードリングの内周部１８ａと一部重なる大きさ、例えば直径２１μｍ程度のホールパターン３７を形成する。

次に、シリコン窒化膜３６をマスクとして、ｐ型不純物、例えば熱拡散法によりＺｎを増倍領域２０の厚さｄが得られるようにキャリア濃度１〜１０Ｅ１９／ｃｍ３程度に拡散させる。これにより、ガードリング１８の内周部１８ａに一部重複して内側全面に円形状のｐ^＋拡散領域１９が形成され、ｐ^＋拡散領域１９からガードリング１８への水平方向に階段状のキャリア濃度分布ｅが得られる。

次に、ｐ^＋拡散領域１９に入射光の反射を防止する反射防止膜２２を形成した後にｐ側電極２３を形成し、続いてｎ−ＩｎＰ基板１２の主面と反対の面にｎ側電極２４を形成する。最後に、チッブに分割することにより図１に示したアバランシェフォトダイオード１１を製造した。

以上説明したように、実施例２に係わるアバランシェフォトダイオードの製造方法によれば、ガードリング１８において外周に向かって階段状に減少するキャリア濃度分布を形成することができる。

これによって、ｐ^＋拡散領域１９からガードリング１８への水平方向のキャリア濃度勾配を緩やかにすることができるので、ｐ^＋拡散領域１９とガードリング１８の境界での電界強度を下げることが可能である。

従って、ｐ＋拡散領域１９とガードリング１８の境界での電界集中が抑制され、ブレークダウンの発生を防止できる。また、ガードリング外周部に向かってキャリア濃度が緩やかに減少しているためガードリング外周部と窓層との間のエッジブレークダウン発生も抑制できるので、アバランシェフォトダイオード１１のブレークダウン電圧が向上する。

ここでは、ガードリング１８のキャリア濃度が外周に向かって階段状に減少させる場合について説明したが、図１０の工程における繰り返し回数を更に増やすことにより、キャリア濃度が外周に向かって傾斜状に減少させることが可能である。

また、化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したがＭＢＥ法によっても構わない。

本発明の実施例１に係わるアバランシェフォトダイオードを示す断面図。 本発明の実施例１に係わるアバランシェフォトダイオードの水平方向のキャリア濃度分布を示す図。 本発明の実施例１に係わるアバランシェフォトダイオードの水平方向の電界強度分布を示す図。 本発明の実施例１に係わるアバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を示す図。 本発明の実施例１の変形例に係わるアバランシェフォトダイオードの水平方向のキャリア濃度分布を示す図。 本発明の実施例１の変形例に係わるアバランシェフォトダイオードの水平方向の電界強度分布を示す図。 本発明の実施例２に係わるアバランシェフォトダイオードの製造工程を示す図。 本発明の実施例２に係わるアバランシェフォトダイオードの製造工程を示す図。 本発明の実施例２に係わるアバランシェフォトダイオードの製造工程を示す図。 本発明の実施例２に係わるアバランシェフォトダイオードの製造工程を示す図。 本発明の実施例２に係わるアバランシェフォトダイオードの製造工程を示す図。 本発明の実施例２に係わるアバランシェフォトダイオードの製造工程を示す図。 本発明の実施例２に係わるアバランシェフォトダイオードの製造工程を示す図。 従来のアバランシェフォトダイオードを示す図。 従来のアバランシェフォトダイオードの水平方向のキャリア濃度分布を示す図。 従来のアバランシェフォトダイオードの水平方向の電界強度分布を示す図。 ショットキーバリアダイオードの深さ方向の不純物濃度分布を示す図。

符号の説明

１１ アバランシェフオトダイオード
１２ ｎ−ＩｎＰ基板
１３ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１４ ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１５ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ障壁緩和層
１６ ｎ^＋−ＩｎＰ電圧降下層
１７ ｎ−ＩｎＰ窓層
１８ ガードリング
１８ａ ガードリング内周部
１８ｂ ガードリング中間部
１８ｃ ガードリング外周部
１９ ｐ^＋拡散領域
２０ 増倍領域
２１ 保護膜
２２ 反射防止膜
２３ ｐ側電極
２４ ｎ側電極
３０ 能動層
３１ シリコン酸化膜
３２ シリコン酸化膜開口溝
３３ レジスト膜
３４ レジスト膜開口溝
３５ 開口溝
３６ シリコン窒化膜
３７ ホール

Claims (10)

1. 第１導電型の化合物半導体基板の主面に形成された入射光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層上に形成され、禁制帯の不連続性を緩和する障壁緩和層と、
   前記障壁緩和層上に形成され、前記化合物半導体基板側に印加される電界強度を抑える電界降下層と、
   前記電界降下層上に形成され、入射光に対して透明な窓層と、
   前記窓層にリング状に形成され、且つ前記リングの水平方向のキャリア濃度が前記リングの内周部から外周部にかけて階段状に減少する第２導電型領域と、
   前記リング状の第２導電型領域の内側全面に形成され、且つ前記リングの内周部に一部重複した円形状の第２導電型領域と、
   前記円形状の第２導電型領域に電気的接続をとるための電極と、
   を有することを特徴とする光半導体受光素子。
2. 前記リングの内周部に形成される階段状に減少するキャリア濃度は、前記円形状の第２導電型領域のキャリア濃度からこのキャリア濃度の１／１０倍の範囲内にあり、前記リングの外周部に形成される階段状に減少するキャリア濃度は、前記入射光に対して透明な窓層のキャリア濃度からこのキャリア濃度の１０倍の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載の光半導体受光素子。
3. 前記リングの内周部と外周部のキャリア濃度は、前記円形状の第２導電型領域のキャリア濃度の１／１０倍から、前記入射光に対して透明な窓層のキャリア濃度の１０倍の範囲内にあり、階段状に減少していることを特徴とする請求項２記載の光半導体受光素子。
4. 第１導電型の化合物半導体基板の主面に形成された入射光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層上に形成され、禁制帯の不連続性を緩和する障壁緩和層と、
   前記障壁緩和層上に形成され、前記化合物半導体基板側に印加される電界強度を抑える電界降下層と、
   前記電界降下層上に形成され、入射光に対して透明な窓層と、
   前記窓層にリング状に形成され、且つ前記リングの水平方向のキャリア濃度が前記リングの内周部から外周部にかけて傾斜状に減少する第２導電型領域と、
   前記リング状の第２導電型領域の内側全面に形成され、且つ前記リングの内周部に一部重した円形状の第２導電型領域と、
   前記円形状の第２導電型領域に電気的接続をとるための電極と、
   を具備し、
   前記リングの内周部から外周部にかけて傾斜状に減少するキャリア濃度は、前記リングの内周部および外周部のいずれにおいても０．２μｍ／ｄｅｃａｄｅより大きいキャリア濃度の傾斜率を有し、且つ前記リングの内周部におけるキャリア濃度の傾斜率が前記リングの外周部におけるキャリア濃度の傾斜率より大きい傾斜率を有することを特徴とする光半導体受光素子。
5. 第１導電型の化合物半導体基板の主面に入射光を吸収する光吸収層、禁制帯の不連続性を緩和する障壁緩和層、前記基板側に印加される電界強度を抑える電界降下層、および入射光に対して透明な窓層を順次形成する工程と、
   前記窓層に形成された絶縁膜にリング状の絶縁膜開口溝パターンを形成する工程と、
   前記窓層に前記リングの水平方向のキャリア濃度が前記リングの内周部から外周部にかけて階段状または傾斜状に減少するリング状の第２導電型領域を形成する工程と、
   前記リング状の第２導電型領域の内側全面に前記リングの内周部に一部重複した円形状の第２導電型領域を形成する工程と、
   前記円形状の第２導電型領域に電気的接続を取るための電極を形成する工程と、
   を有することを特徴とする光半導体受光素子の製造方法。
6. 前記窓層に前記リングの水平方向のキャリア濃度が前記リングの内周部から外周部にかけて階段状または傾斜状に減少するリング状の第２導電型領域を形成する工程は、
   前記リング状の絶縁膜開口溝が形成された窓層にレジスト膜を形成して、フオトリゾグラフィ法により前記リング状の絶縁膜開口溝の内周に沿って前記リング状の絶縁膜開口溝の幅より小さい溝幅のリング状のレジスト開口溝を形成した後、前記リング状のレジスト開口溝に第２導電型の不純物をイオン注入する第１の工程と、
   前記レジスト膜をステップエッチングして前記レジスト膜を後退させることにより前記リング状のレジスト開口溝の幅を水平方向に広げた後、前記絶縁膜およびレジスト膜をマスクとして前記窓層に第２導電型の不純物をイオン注入する第２の工程と、
   前期第１および第２の工程をイオン注入のドーズ量を順次減少させながら繰り返す第３の工程と、
   前記イオン注入された不純物を活性化する熱処理工程と、
   を有することを特徴とする請求項５記載の光半導体受光素子の製造方法。
7. 前記窓層に前記リングの水平方向のキャリア濃度が前記リングの内周部から外周部にかけて階段状または傾斜状に減少するリング状の第２導電型領域を形成する工程は、
   前記第３の工程における繰り返し数を変えて作り分けることを特徴とする請求項６記載の光半導体受光素子の製造方法。
8. 前記リング状の第２導電型領域の内側全面に前記リングの内周部に一部重複した円形状の第２導電型領域を形成する工程は、
   前記リング状の第２導電型領域が形成された窓層に絶縁膜を形成して、フオトリゾグラフィ法により前記リング状の第２導電型領域の内周に沿って前記リングの内周部に一部重複する大きさのホールを形成した後、前記絶縁膜をマスクとして前記窓層に第２導電型の不純物を熱拡散させる工程と、
   を有することを特徴とする請求項５記載の光半導体受光素子の製造方法。
9. 前記リング状の第２導電型領域にイオン注入する第２導電型の不純物はＢｅであることを特徴とする請求項６記載の光半導体受光素子の製造方法。
10. 前記円形状の第２導電型領域に熱拡散する第２導電型の不純物はＺｎであることを特徴とする請求項８記載の光半導体受光素子の製造方法。

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