JP2013236012A

JP2013236012A - アバランシェフォトダイオード及びその製造方法

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Publication number: JP2013236012A
Application number: JP2012108577A
Authority: JP
Inventors: Ryota Takemura; 亮太竹村; Eitaro Ishimura; 栄太郎石村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-21
Also published as: CN103390680A; US20130299936A1

Abstract

【課題】高速応答性を改善し、特性の経時変化を低減することができるアバランシェフォトダイオードを得る。
【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層３、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４、アンドープ光吸収層５、及び窓層６が順に積層されている。窓層６とアンドープ光吸収層５の一部にｐ型領域７が設けられている。ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のドーパントとしてカーボンが用いられている。ｐ型領域７のドーパントとしてＺｎが用いられている。ｐ型領域７の底面がアンドープ光吸収層５と窓層６の界面より下にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信等に用いられるアバランシェフォトダイオード及びその製造方法に関する。

アバランシェダイオードは光吸収層とアバランシェ増倍層を備える。光が光吸収層に入ると電子−正孔対が発生する。それらがキャリアとなってアバランシェ増倍層に到達すると雪崩的にキャリアの増倍が起こる。これにより、入射した光を増幅して信号として取り出すことができるため、微弱な光信号を受信する長距離光通信などにアバランシェダイオードがよく用いられている。

アバランシェ増倍を起こすには、アバランシェ増倍層に高い電界を印加する必要がある。しかし、光吸収層に高い電界が印加されると光吸収層でトンネルブレイクダウンが発生してしまう。そこで、電界分布を制御してアバランシェ増倍層にのみ高い電界がかかるようにする電界制御層がアバランシェ増倍層と光吸収層の間に設けられる。一般的に、アバランシェ増倍層内の電界強度は６００ｋＶ／ｃｍ以上、光吸収層内の電界強度は２００ｋＶ／ｃｍ以下が好ましい。

アバランシェ増倍層の材料によって、発生した電子と正孔のどちらを増倍しやすいかが異なる。高速光通信用途では低雑音・高速応答性などが求められるため、電子を増倍しやすい材料をアバランシェ増倍層に用いることが多い。この場合には電界制御層をｐ型とし、そのドーパントとしてドーピングが容易なＺｎやＢｅを用いることが多い。

光吸収層の上部には光を透過させる窓層を積層することが多い。窓層は暗電流を低減するためにバンドギャップの広い材料からなる。窓層の一部に電気的なコンタクトを取るためのｐ型領域が形成される（例えば、特許文献１参照）。

特許第４１６６５６０号公報特開平２−２００７４号公報特許第４１０３８８５号公報特表２００５−５１６４１４号公報欧州特許出願公開第２０７３２７７号明細書特開２０１１−２４３６７５号公報

電界制御層にドーピングしたＢｅやＺｎは、熱による拡散定数が大きい。このため、プロセス中の熱処理などにより電界制御層の両端のアンドープ層に拡散し、アバランシェフォトダイオードの特性に大きく影響する。従って、プロセス中の熱履歴は極力少なくしなければならなかった。プロセス中の熱処理の温度としては、４５０〜５４０℃程度が一般的である（例えば、特許文献２，３参照）。

拡散定数の小さいｐ型ドーパントとしてカーボンが知られている（例えば、特許文献４，５，６参照）。そこで、熱処理時間を長くするため、カーボンを電界制御層のドーパントとして用いることが考えられる。しかし、カーボンはＢｅやＺｎに比べてドーピング自体が難しい。従って、電界制御層に求められるドーピング濃度を達成するためには、電界制御層の成長温度を光吸収層等の他の層より下げる必要がある。これにより、水素などの不要な元素が電界制御層に取り込まれやすくなっていた。不要な元素は、アバランシェフォトダイオードの動作中に移動しやすく、キャリアの活性化などに影響を与えるため、ブレイクダウン電圧などの特性の経時変化の原因となっていた。

また、従来のアバランシェフォトダイオードでは、窓層と光吸収層の界面での荷電子帯・伝導帯のエネルギー準位の不連続が大きくキャリアの移動が阻害されるため、高速応答性が悪いという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高速応答性を改善し、特性の経時変化を低減することができるアバランシェフォトダイオード及びその製造方法を得るものである。

本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、基板と、前記基板上に順に積層されたアバランシェ増倍層、ｐ型の電界制御層、光吸収層、及び窓層と、前記窓層と前記光吸収層の一部に設けられたｐ型領域とを備え、前記電界制御層のドーパントとしてカーボンが用いられ、前記ｐ型領域のドーパントとしてＺｎが用いられ、前記ｐ型領域の底面が前記光吸収層と前記窓層の界面より下にあることを特徴とする。

本発明により、高速応答性を改善し、特性の経時変化を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。比較例に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。比較例に係るアバランシェフォトダイオードのエネルギー準位を示す図である。本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードのエネルギー準位を示す図である。本発明の実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。本発明の実施の形態３に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。本発明の実施の形態４に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。本発明の実施の形態５に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。

本発明の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層２、ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層３、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４、アンドープ光吸収層５、及び窓層６が順に積層されている。ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のドーパントとしてカーボンが用いられている。

ｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層２のキャリア濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３以下、層厚は０．１〜１μｍである。ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層３のキャリア濃度は０．１×１０^１５〜８×１０^１５ｃｍ^−３、層厚は０．０５〜０．５μｍである。ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のキャリア濃度は２×１０^１７〜２×１０^１８ｃｍ^−３、層厚は０．０１〜０．２μｍである。アンドープ光吸収層５の層厚は０．５〜２．５μｍである。窓層６はアンドープまたはｎ型にドーピングされ、キャリア濃度は３×１０^１６ｃｍ^−３以下、層厚は０．５〜２μｍである。

窓層６とアンドープ光吸収層５の一部にｐ型領域７が設けられている。ｐ型領域７のドーパントとしてＺｎが用いられている。Ｚｎ拡散はアンドープ光吸収層５まで到達し、ｐ型領域７の底面がアンドープ光吸収層５と窓層６の界面より下にある。

ｐ型領域７上にＩｎＧａＡｓコンタクト層８が設けられ、ＩｎＧａＡｓコンタクト層８に接するようにｐ側電極９が設けられている。ＩｎＧａＡｓコンタクト層８以外の領域において窓層６の上面は、パッシベーション膜兼反射防止膜であるＳｉＮ膜１０に覆われている。ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にｎ側電極１１が設けられている。

続いて、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明する。ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層２、ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層３、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４、アンドープ光吸収層５、窓層６、及びＩｎＧａＡｓコンタクト層８を順に形成する。

次に、円形に穴を開けた絶縁膜をマスクにしてＺｎを選択熱拡散法により拡散させ（Ｚｎの固相拡散）、窓層６とアンドープ光吸収層５の一部にｐ型領域７を形成する。

次に、ｐ型領域７上のＩｎＧａＡｓコンタクト層を、幅５ｕｍ程度のリング状に残るようにエッチングする。そして、ＳｉＮ膜１０を形成する。このＳｉＮ膜１０の厚さｄは、屈折率をｎ、入射する光の波長をλとしたとき、ｄ＝λ／４／ｎに近くなるよう調整し、反射防止膜とする。

次に、ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上のＳｉＮ膜１０の一部を除去する。ＩｎＧａＡｓコンタクト層８に接するようｐ側電極９をパターニングして形成する。その後、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面を研磨し、ｎ側電極１１を形成する。

続いて、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの動作を説明する。ｎ側電極１１にプラス、ｐ側電極９にマイナスの電圧を印加した状態でアンドープ光吸収層５に光が入射すると、電子と正孔が発生する。発生した電子はｎ型ＩｎＰ基板１側に移動するため、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４を通過した後にＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層３に到達する。ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層３には、増倍が起きる程度に高い電界が印加されており、入ってきた電子が電子−正孔対を作り、さらに発生した電子が別の電子−正孔対を作ると言う作用を繰り返し、信号が増倍される。

続いて本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図２は、比較例に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。比較例では、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のドーパントとしてＢｅ又はＺｎを用いている。このｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のキャリア拡散を抑制する必要があるため、Ｚｎ拡散時間を長くできない。また、電界が強くかかるｐ型領域７は、バンドギャップの大きい層で保護して信頼性を向上するため、窓層６内のみに設けられている。従って、Ｚｎ拡散はアンドープ光吸収層５に到達しない。

図３は、比較例に係るアバランシェフォトダイオードのエネルギー準位を示す図である。比較例では、窓層６とアンドープ光吸収層５の界面での荷電子帯・伝導帯のエネルギー準位の不連続が大きくキャリアの移動が阻害されるため、高速応答性が悪い。

図４は、本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードのエネルギー準位を示す図である。本実施の形態ではアンドープ光吸収層５の一部をｐ型化する。これにより、アンドープ光吸収層５と窓層６の界面付近に正孔が多く存在するため、界面での荷電子帯・伝導帯のエネルギー準位差をキャリアのドリフトで乗り越える必要がなくなり、高速応答性を高めることができる。

アンドープ光吸収層５に到達したＺｎの中には、拡散速度が急激に速くなってアンドープ光吸収層５を通過しｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４付近まで達するものがある。比較例では、このＺｎの拡散速度の速い成分は、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のドーパントであるＢｅやＺｎと相互拡散する。このため、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のキャリア濃度が著しく低下し、所望の電界分布が得られず、アバランシェフォトダイオードとして動作しないことがある。一方、本実施の形態では、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のドーパントとしてカーボンを用いるため、相互拡散によるｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のキャリア濃度の低下は発生しない。

また、比較例では、拡散係数が大きいＢｅやＺｎのｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４からの熱拡散を防ぐため、Ｚｎ拡散時間を長くできない。一方、本実施の形態では、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のドーパントとしてカーボンを用いるため、Ｚｎ拡散時間を長くできる。これにより、プロセス中での熱履歴を増加させ、カーボンを用いたｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４中の水素などの不要な元素を熱的に拡散させ除去することができる。さらに、不要な元素をＺｎの拡散速度の速い成分と反応させることにより、その濃度を下げることができる。この結果、アバランシェフォトダイオード使用時における不要な元素の移動を防ぎ、特性の経時変化を低減することができる。

また、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４の不純物濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３より低いと、必要な緩和量を得るためにｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４の層厚を０．２μｍより厚くしなければならず、キャリアの走行時間が増加して高速応答性が悪くなる。従って、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４の不純物濃度を２×１０^１７ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。

また、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４のキャリア濃度が高いと、成長温度が低くなり水素などの不要な元素が増える。また、キャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３より高いと、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４の層厚が１０ｎｍより薄くなり、層厚制御性に問題がある。従って、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４の不純物濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３以下にすることが好ましい。

また、Ｚｎの拡散速度の速い成分は、拡散温度が高い方が多くなる。従って、特性の経時変化を低減するために、Ｚｎの固相拡散時の温度を５４０℃より高くすることが好ましい。

なお、基板にはＩｎＰ、ｎ型バッファ層にはＩｎＰやＡｌＩｎＡｓ、アバランシェ増倍層にはＡｌＩｎＡｓやＡｌＡｓＳｂ、電界制御層にはＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ、光吸収層にはＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰ、窓層にはＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓなどを用いる。ただし、各層に必要な特性が得られるならどの材料を使用してもよく、これらの材料は発明の範囲を限定するものではない。また、ｎ型バッファ層をＩｎＧａＡｓなどのコンタクト層とし、基板はＦｅドープ基板などの半絶縁性基板としてもよい。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。半絶縁性の埋め込み半導体層１２が、ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層３、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層４、アンドープ光吸収層５、及び窓層６の側面を埋め込んでいる。ただし、埋め込み半導体層１２は少なくともアンドープ光吸収層５を埋め込めばよい。埋め込み半導体層１２はアンドープ光吸収層５より広いバンドギャップを持つ。

この埋め込み半導体層１２により、バンドギャップの狭いアンドープ光吸収層５が露出することを防ぎ、素子信頼性を向上させることができる。なお、ｐ型領域７と埋め込み半導体層１２との間にアンドープの窓層６が存在するため、リーク電流は増加しない。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。アンドープ光吸収層５と隣接する層との間にグレーデッド層１３が設けられている。その他の構成は実施の形態２と同様である。これにより、アンドープ光吸収層５と隣接する層との荷電子帯・伝導帯不連続が小さくなりキャリアの移動が容易になるため、高速応答性を向上させることができる。なお、グレーデッド層１３はアンドープ光吸収層５の両側にあることが好ましいが、片方だけにある場合でも効果がある。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。ｎ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層２の代わりにＤＢＲ１４（Distributed Bragg Reflector）を設けている。その他の構成は実施の形態３と同様である。ＤＢＲ１４により、アンドープ光吸収層５を透過した光を反射させ、再びアンドープ光吸収層５へ戻すことで感度を向上させることができる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係るアバランシェフォトダイオードを示す断面図である。このアバランシェフォトダイオードは裏面入射型である。この場合、表面入射型とは異なり、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８やｐ側電極９は、リング状でなくてよい。表面入射型の場合リング状のｐ側電極９に隠れて光を入射できない領域があったが、裏面入射型にすることでその部分でも光を受けることができ、受光領域のサイズを拡大することができる。また、基板をＦｅドープ基板にすれば、基板での光の吸収が少なくなり量子効率が向上する。

１ｎ型ＩｎＰ基板（基板）
３ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層（アバランシェ増倍層）
４ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界制御層（電界制御層）
５アンドープ光吸収層（光吸収層）
６窓層（窓層）
７ｐ型領域（ｐ型領域）
１２埋め込み半導体層（埋め込み半導体層）

Claims

基板と、
前記基板上に順に積層されたアバランシェ増倍層、ｐ型の電界制御層、光吸収層、及び窓層と、
前記窓層と前記光吸収層の一部に設けられたｐ型領域とを備え、
前記電界制御層のドーパントとしてカーボンが用いられ、
前記ｐ型領域のドーパントとしてＺｎが用いられ、
前記ｐ型領域の底面が前記光吸収層と前記窓層の界面より下にあることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
前記電界制御層の不純物濃度は２×１０^１７ｃｍ^−３以上、２×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
前記光吸収層の側面を埋め込み、前記光吸収層より広いバンドギャップを持つ埋め込み半導体層を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のアバランシェフォトダイオード。
基板上に増倍層、ｐ型の電界制御層、光吸収層、及び窓層を順に形成する工程と、
前記窓層と前記光吸収層の一部にｐ型領域をＺｎの固相拡散により形成する工程とを備え、
前記電界制御層のドーパントとしてカーボンを用い、
前記ｐ型領域の底面が前記光吸収層と前記窓層の界面より下にある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Ｚｎの固相拡散時の温度を５４０℃より高くすることを特徴とする請求項４に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。