JP2006237610A - アバランシェフォトダイオードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】拡散領域の形成が容易で、拡散領域を形成する際に誤差の発生を最小化することができるアバランシェフォトダイオードの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、半導体基板上に、増幅層を含む複数の半導体層を順次形成する第１工程と、半導体層上における拡散領域の周辺部を形成しようとする部分に、増幅層と異なる拡散係数を有する拡散パターンを形成する第２工程と、拡散パターンを介して不純物を拡散させることによって、周辺部と中心部の深さが異なる拡散領域を形成する第３工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】 図７
Description
本発明は光学素子の製造に関するもので、特に、拡散領域を含むアバランシェフォトダイオードの製造方法に関するものである。
フォトダイオードは、光電変換素子の一種であって、受光した光を電気信号に変換して順次出力する。フォトダイオードの中で、アバランシェフォトダイオードは、変換された電気信号をその内部で増幅させて出力する光電変換素子の一種である。
アバランシェフォトダイオードでは、変換された光信号の増幅特性を実現するために、増幅層を意図する構造で正確に形成し、Ｚｎ（亜鉛）拡散領域のエッジで発生される降伏現象を克服しなければならない。
図１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１において、従来のアバランシェフォトダイオード１００は、半導体基板１１０の上に順次形成される、吸収層１２０と、グレージング層１３０と、電界バファ層１４０と、増幅層１９０とを含む。上部電極１８１，１８２は増幅層１９０の上部に形成され、下部電極１６２は半導体基板１１０の下部に形成される。表面保護層１６１は、上記の内部層を保護するために上部層上に形成される。
半導体基板１１０は、Ｎ＋-ＩｎＰ(Ｎ＋-ｄｏｐｅｄ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ)材質の半導体物質で形成され、吸収層１２０は、Ｎ-ＩｎＧａＡ(Ｎ-ｄｏｐｅｄ Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｕｍ Ａｒｓｅｎｉｃ)で形成される。また、グレージング層１３０は、Ｎ-ＩｎＧａＡｓＰ(Ｎ-ｄｏｐｅｄ Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｕｍ Ａｒｓｅｎｉｃ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ)で形成され、電界バッファ層１４０及び増幅層１９０は、Ｎ-ＩｎＰで形成される。表面保護層１６１は、ＳｉＮｘ材質の誘電体物質群で形成可能である。
増幅層１９０の上端における所定領域に、拡散領域１５０と、ガードリング領域１７１，１７２が形成される。拡散領域１５０は、中心部１５２及び周辺部１５１，１５３を含む。中心部１５２の電界バッファ層１４０からの高さＷｍ、Ａは、周辺部１５１，１５３の電界バッファ層１４０からの高さＢよりも低い。すなわち、増幅層１９０において、中心部１５２は、周辺部１５１，１５３よりも深く（厚さが厚く）なるように形成されている。
拡散領域１５０は、増幅層１９０の一部がリセスエッチングされた後に、不純物の拡散とドライブイン工程によって形成される。
アバランシェフォトダイオード１００に入力された光は吸収層１２０を励起させ、この吸収層１２０は、光によって励起されつつ電子と正孔を生成する。この吸収層１２０で生成された電子及び正孔は、電子-正孔対(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ-Ｈｏｌｅ Ｐａｉｒ：以下、“ＥＨＰ”とする)と呼ばれる。アバランシェフォトダイオード１００は、逆電圧がかかっているため、発生したＥＨＰで電子はＮ型の下部電極１６２を介して放出され、正孔はグレージング層１３０とバッファ層１４０を順次に経て増幅層１９０に入力される。増幅層１９０に入力された正孔は、増幅された後にＰ型の上部電極１８１を介して出力される。
アバランシェフォトダイオード１００は、光から変換された電気信号を内部で増幅させることによって、他の形態の増幅素子に比べて比較的低いノイズで大きい出力を有する電気信号が出力可能である。
アバランシェフォトダイオードは、内部で電気信号を増幅させるために、追加的な動作時間を必要とし、アバランシェフォトダイオードの動作時間は増幅層の厚さに比例して増加するようになる。一方、動作時間の増加は、アバランシェフォトダイオードの帯域幅特性を低下させる。参考に、２．５Ｇｂｐｓの動作特性を得るために、アバランシェフォトダイオードの増幅層は、最大０．５μｍの厚さまで許容される。しかしながら、１０Ｇｂｐｓの動作特性を得るためには、増幅層が最大０．２μｍの厚さまで許容されうる。
しかしながら、増幅層の幅が狭くなる場合に、エッジ降伏が起きる可能性が大きくなるという問題があった。電界がエッジに集中分布することを防止するために、拡散領域及びガードリングを用いることによって、上述したエッジ降伏現象を克服することができる。
さらに、拡散領域を形成するために湿式又は乾式エッチングなどの工程によって増幅層の一部をエッチングさせると、このエッチングされた拡散領域が、±１００Å以上の大きい許容可能な誤差範囲を有するという問題があった。
したがって、従来の拡散領域を形成する工程は、許容可能な誤差範囲を最小化するために工程が複雑になり、製造歩留まりが低下するという問題を有する。
したがって、従来技術の問題点を解決するために、本発明の目的は、拡散領域の形成が容易で、拡散領域を形成する際に誤差の発生を最小化することができるアバランシェフォトダイオードの製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明は、半導体基板上に、増幅層を含む複数の半導体層を、順次形成する工程と、前記半導体層上における拡散領域の周辺部を形成しようとする部分に、前記増幅層と異なる拡散係数を有する拡散パターンを形成する工程と、前記拡散パターンを介して不純物を拡散させることによって、周辺部と中心部の深さが異なる拡散領域を形成する工程とを含むことを特徴とする。
また、本発明は、半導体基板上に、増幅層を含む複数の半導体層を順次形成する工程と、前記半導体層上における拡散領域の周辺部を形成しようとする部分に、前記増幅層と異なる拡散係数を有する拡散パターンを形成する工程と、前記増幅層上の両端部に電流遮断層を形成する工程と、前記拡散パターンの一部を含み、前記増幅層上の拡散領域を形成しようとする部分に不純物層を蒸着する工程と、前記電流遮断層及び不純物層の上面にキャッピング層を蒸着させる工程と、前記拡散パターンを介して不純物を拡散させることによって、周辺部と中心部の深さが異なる拡散領域を形成する工程と、前記キャッピング層を除去し、前記拡散パターン上に上部電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
本発明は、アバランシェフォトダイオードの拡散領域を形成する際に、増幅層をエッチングすることなく、増幅層と異なる拡散係数を有する拡散パターンを形成して不純物をドーピングさせることによって、拡散領域の中心部及び周辺部の深さ調節に容易であるという効果がある。さらに、本発明は、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ材質の拡散パターン上に電極を形成することで、接触抵抗及びオーミックコンタクトが向上し、つまり、製造工程が容易になされる効果がある。
以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
下記に、本発明に関連した公知の機能或いは構成に関する具体的な説明が、本発明の要旨を不明にする場合に、その詳細な説明を省略する。
図２〜図７は、本発明によるアバランシェフォトダイオードを製造する各ステップを説明するための図である。図２〜図７を参照して、本発明の望ましい実施形態によるアバランシェフォトダイオードの製造方法について説明する。
図２は、半導体基板上に半導体層が順次形成される状態を示す図である。図７に示すように、本実施形態のアバランシェフォトダイオードは、半導体基板上に順次形成される、バッファ層（第１のバッファ層）２２０と、吸収層２３０と、グレージング層２４０と、電界バッファ層２５０と、増幅層２６０と、この増幅層２６０の上部に形成された上部電極２０４と、半導体基板２１０の下部に形成された下部電極２０５と、電流遮断層２０２とを含む。
半導体基板２１０は、Ｎ＋-ＩｎＰ材質で形成され、バッファ層２２０はこの半導体基板２１０の上に形成される。バッファ層２２０もＮ＋-ＩｎＰなどで形成されることが可能である。
吸収層２３０は、バッファ層２２０の上部に形成され、Ｎ-ＩｎＧａＡｓなどで形成可能である。この吸収層２３０は、吸収光により励起され、電子-正孔対を生成する。
グレージング層２４０は、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの間のバンドギャップを有する複数の層を含み、吸収層２３０で生成された電子-正孔対のうち、正孔を増幅層２６０に注入させる。グレージング層２４０はＮ−-ＩｎＧａＡｓＰで形成可能である。
グレージング層２４０は、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの間のバンドギャップを有する複数の層を含み、吸収層２３０で生成された電子-正孔対のうち、正孔を増幅層２６０に注入させる。グレージング層２４０はＮ−-ＩｎＧａＡｓＰで形成可能である。
電界バッファ層（チャージシート層）２５０は、よく調節されたドーピング濃度と厚さを有し、Ｎ-ＩｎＰで形成することができる。
増幅層２６０は、電界バッファ層２５０上に形成され、Ｎ-ＩｎＰが用いられる。増幅層２６０内には、Ｚｎ又はＣｄなどの不純物が拡散とドライブイン工程によってドーピングされた拡散領域２８０が形成される。増幅層２６０の上には、拡散パターンを形成するための拡散層２７０を形成する。
図３は、拡散領域２８０の周辺部２８１、２８２を形成するための増幅層２６０の対応する位置に拡散パターン２７１，２７２が形成された状態を示す図である。また、図４〜図５は、拡散パターン２７１，２７２が形成された増幅層２６０に、Ｚｎ又はＣｄなどの不純物をドーピングさせるための工程を示す図である。
拡散領域２８０は、増幅層２６０の一部に増幅層２６０と異なる拡散係数を有する物質からなる拡散パターン２７１、２７２を形成した後に、Ｚｎ又はＣｄなどの不純物を増幅層２６０の一部に拡散とドライブインさせて、図７に示すような不純物プロファイルで形成される。
すなわち、図４に示すように、拡散パターン２７１，２７２が形成された増幅層２６０上に、この増幅層２６０にドーピングさせるための不純物層２０１を形成し、拡散パターン２７１，２７２の周囲に電流遮断層２０２を形成する。拡散及びドライブイン工程によって、ＺｎやＣｄ等の不純物がドープされた拡散領域２８０が、増幅層２６０内に形成される。
その後、図５及び図６に示すように、不純物層２０１がドーピング中に一般大気中に拡散されることを防止するためのキャッピング層２０３をさらに蒸着させる。上述したように、不純物層２０１の拡散とドライブイン工程によってドーピングされた拡散領域２８０が増幅層２６０内に形成される。
本発明は、増幅層２６０と異なる拡散係数を有する拡散パターン２７１，２７２を用いることによって、拡散領域２８０を形成するために増幅層２６０の一部をエッチングする必要がない。すなわち、拡散パターンは、リセスエッチング工程がなくても、拡散領域２８０の中心部２８３及び周辺部２８１，２８２の厚さ（増幅層２６０の一方の表面からの深さ）が調節可能にする。
キャッピング層は、ドーピング工程中に、拡散領域にドーピングされない不純物が、大気に散在されることを防止するために、電流遮断層の上に蒸着される。したがって、キャッピング層は、図７に示すように、ドーピング工程の以後に除去される。
図７に示すように、アバランシェフォトダイオードは、増幅層２６０の上部に形成された上部電極２０４と、半導体基板２１０の下部に形成された下部電極２０５と、電流遮断層２０２とを含む。
本発明による拡散領域２８０は、従来技術と異なり、増幅層をエッチングすることなく、拡散工程だけで形成可能になることで、その深さの制御が容易で、従来に比べて許容誤差を一層小さくできるという利点を有する。
さらに、拡散領域２８０を形成するための拡散パターン２７１，２７２のサイズと、厚さ位置などにより、拡散領域２８０の中心部２８３と周辺部２８１，２８２のサイズ及び深さは、必要に応じて多様に調節可能になる。
拡散パターン２７１，２７２は、増幅層２６０の上に拡散領域２８０の周辺部２８１，２８２を形成するための位置に形成され、Ｚｎ又はＣｄに対して増幅層２６０と異なる拡散係数を有するＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧｓＡｓＰなどの物質のうちの一つ又は２つの組合せからなる物質が使用可能である。
電流遮断層２０２は、ＳｉＮｘ材質の誘電体物質群の中から選択される物質を用いることができる。上部電極２０４は、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ材質の拡散パターン２７１，２７２上にＰ型オーミックコンタクトとして形成されることによって、従来の電極に比べて５〜１０倍程度低い接触抵抗を有し、同時に 安定したオーミックコンタクトを形成することができる。
以上、本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲を外れない限り、様々な変形が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には自明なことであろう。
２０２：電流遮断層
２０４：上部電極
２０５：下部電極
２１０：半導体基板
２２０：バッファ層
２３０：吸収層
２４０：グレージング層
２５０：電界バッファ層（チャージング層）
２６０：増幅層
２７１，２７２：拡散パターン
２８０：拡散領域
２０４：上部電極
２０５：下部電極
２１０：半導体基板
２２０：バッファ層
２３０：吸収層
２４０：グレージング層
２５０：電界バッファ層（チャージング層）
２６０：増幅層
２７１，２７２：拡散パターン
２８０：拡散領域
Claims (7)
- 半導体基板上に、増幅層を含む複数の半導体層を、順次形成する工程と、
前記半導体層上における拡散領域の周辺部を形成しようとする部分に、前記増幅層と異なる拡散係数を有する拡散パターンを形成する工程と、
前記拡散パターンを介して不純物を拡散させることによって、周辺部と中心部の深さが異なる拡散領域を形成する工程と、
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の製造方法。 - 前記半導体層を形成する工程は、
前記半導体基板上に第１のバッファ層を形成する工程と、
前記第１のバッファ層上に吸収層を形成する工程と、
前記吸収層上にグレージング層を形成する工程と、
前記グレージング層上に第２の電界バッファ層を形成する工程と、
前記第２の電界バッファ層上に前記増幅層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。 - 前記不純物として、Ｚｎ又はＣｄを使用することを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。
- 前記拡散パターンは、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰを用いて形成されることを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。
- 前記拡散パターンが形成されていない前記半導体層上に、電流遮断層を形成する工程と、
前記各拡散パターン上に上部電極を形成する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。 - 半導体基板上に、増幅層を含む複数の半導体層を、順次形成する工程と、
前記半導体層上における拡散領域の周辺部を形成しようとする部分に、前記増幅層と異なる拡散係数を有する拡散パターンを形成する工程と、
前記増幅層上の両端部に電流遮断層を形成する工程と、
前記拡散パターンの一部を含み、前記増幅層上の拡散領域を形成しようとする部分に不純物層を蒸着する工程と、
前記電流遮断層及び不純物層の上面にキャッピング層を蒸着させる工程と、
前記拡散パターンを介して不純物を拡散させることによって、周辺部と中心部の深さが異なる拡散領域を形成する工程と、
前記キャッピング層を除去し、前記拡散パターン上に上部電極を形成する工程と、
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の製造方法。 - 半導体基板上に第１のバッファ層を形成する工程と
前記第１のバッファ層上に吸収層を形成する工程と、
前記吸収層上にグレージング層を形成する工程と、
前記グレージング層上に第２のバッファ層を形成する工程と、
前記第２のバッファ層上に増幅層を形成する工程と、
前記半導体層上における拡散領域の周辺部を形成しようとする部分に、前記増幅層と異なる拡散係数を有する拡散パターンを形成する工程と、
前記拡散パターンを介して不純物を拡散させることによって、周辺部と中心部の深さが異なる拡散領域を形成する工程と、
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の製造方法。
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