JP2017228569A - Avalanche photodiode and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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し、より詳細には、光ファイバ通信の受光素子に適用さ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。 The present invention relates to an avalanche photodiode and a manufacturing method thereof, and more particularly to an avalanche photodiode applied to a light receiving element for optical fiber communication and a manufacturing method thereof.
近年、データセンタなどにおける通信容量の増大に伴い、光ファイバ通信システムの伝送容量の増大が求められている。従って、光ファイバ通信システムの受信器に内蔵される光電変換素子であるフォトダイオードも高速化が要求されている。 In recent years, with an increase in communication capacity in a data center or the like, an increase in transmission capacity of an optical fiber communication system has been demanded. Accordingly, a photodiode that is a photoelectric conversion element incorporated in a receiver of an optical fiber communication system is also required to be accelerated.
フォトダイオードは、PN接合部に光を照射すると光の強弱に応じた電流を発生させる素子である。フォトダイオードの応答速度は、負荷抵抗および内部抵抗と、接合部の接合容量との時定数で決まる。従って、フォトダイオードを高速化するためには、接合容量を低減することが考えられる。接合容量の低減は、接合部の接合面積を小さくすることにより容易に実現できるが、接合面積を小さくすると放熱特性が悪化するというデメリットもある。 A photodiode is an element that generates a current corresponding to the intensity of light when light is applied to a PN junction. The response speed of the photodiode is determined by the time constant of the load resistance and internal resistance and the junction capacitance of the junction. Therefore, it is conceivable to reduce the junction capacitance in order to increase the speed of the photodiode. The reduction of the junction capacity can be easily realized by reducing the junction area of the junction, but there is a demerit that the heat dissipation characteristics deteriorate if the junction area is reduced.
一方、フォトダイオードより、受光感度を高感度化できるアバランシェフォトダイオード(APD)が知られている。APDは、高感度化により通信距離を延伸できるとともに、低消費電力かつコンパクトな受光部品により受信器を構成することができる。 On the other hand, an avalanche photodiode (APD) capable of increasing the light receiving sensitivity is known from the photodiode. APD can extend the communication distance by increasing sensitivity, and can constitute a receiver with low power consumption and compact light receiving parts.
図1に、従来の反転型APDの構造を示す。反転型APDは、InP基板101上に、p型コンタクト層(InAlGaAs)102、InGaAs光吸収層103、InAlAsアバランシェ層104、n型コンタクト層(InP)105、絶縁膜106が順に積層されたAPDメサから構成されている(例えば、特許文献1参照)。また、外部に接続するための電極を形成するためのメサが形成されていて、p型コンタクト層102にはシグナル電極107が接続され、n型コンタクト層105にはバイアス電極108が接続されている。また、InP基板101の裏面側には接着層を介してヒートシンク109が接合されている。APDのメサが形成された面から光111を入射する。
FIG. 1 shows the structure of a conventional inversion type APD. The inverted APD is an APD mesa in which a p-type contact layer (InAlGaAs) 102, an InGaAs
一般的なAPDにおいては、エッジブレイクダウンを抑制するために、選択的ドーピングによってガードリング構造を形成する必要がある。反転型APDでは、n型電極が上層に配置されるため、選択的ドーピングの代わりに、n型電極の形状を決めればよいので、選択的ドーピングを用いることなく、エッジブレイクダウンを抑制することができる。また、反転型APDは、簡易な作製方法により、十分な電界閉じ込めを実現することができ、信頼性が高いという利点がある(例えば、非特許文献1参照)。 In a general APD, it is necessary to form a guard ring structure by selective doping in order to suppress edge breakdown. In the inverted APD, since the n-type electrode is arranged in the upper layer, the shape of the n-type electrode may be determined instead of the selective doping, so that edge breakdown can be suppressed without using selective doping. it can. Further, the inversion type APD can realize sufficient electric field confinement by a simple manufacturing method and has an advantage of high reliability (for example, see Non-Patent Document 1).
上述したように、反転型APDは、光吸収層103がアバランシェ層104よりもInP基板101の近くに配置される。APDにおいては、光を入力したときに発生する電流は、アバランシェ層104で増倍されるため、アバランシェ層104における発熱量が最も大きい。
As described above, in the inverted APD, the
しかしながら、反転型APDにおいて、InP基板101側に配置されたInGaAs光吸収層103は、InP、InAlAs、Au等、他の材料に比べて熱伝導率が低い。従って、InP基板101にヒートシンク109を接合しても、アバランシェ層104における熱がヒートシンク109に伝わりにくく、素子温度が下がりにくい。このため、光入力の耐性を向上させるにあたっての課題となっていた。
However, in the inverted APD, the InGaAs
本発明の目的は、高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させたアバランシェフォトダイオードを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an avalanche photodiode that suppresses an increase in device temperature and has improved light input resistance even if the junction area of the junction is reduced for speeding up.
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、InPからなる第1の基板上にp型コンタクト層、光吸収層、アバランシェ層、およびn型コンタクト層が順に積層されたAPDメサから構成されるアバランシェフォトダイオードであって、前記第1の基板上の前記APDメサが形成された第1の面に、接着層を介して接合された第2の基板と、前記第2の基板および前記接着層を開口して、前記APDメサのn型コンタクト層に接合されたバイアス電極と、前記第1の基板の裏面から開口したビアを介して前記APDメサのp型コンタクト層に接合されたシグナル電極とを備え、前記APDメサの前記アバランシェ層からの発熱は、前記バイアス電極を介して放熱されることを特徴とする。 In the present invention, in order to achieve such an object, in one embodiment, a p-type contact layer, a light absorption layer, an avalanche layer, and an n-type contact layer are sequentially laminated on a first substrate made of InP. An avalanche photodiode comprising an APD mesa, wherein the second substrate is bonded to the first surface of the first substrate on which the APD mesa is formed via an adhesive layer; A bias electrode bonded to the n-type contact layer of the APD mesa and a via opened from the back surface of the first substrate to the p-type contact layer of the APD mesa. The heat generation from the avalanche layer of the APD mesa is radiated through the bias electrode.
本発明によれば、アバランシェ層で発生した熱は、n型コンタクト層とバイアス電極を介して放熱され、バイアス電極にヒートシンクを接合することにより、効率よく放熱することができる。放熱性の向上により光入力耐性が向上した反転型APDを実現することができる。 According to the present invention, the heat generated in the avalanche layer is radiated through the n-type contact layer and the bias electrode, and can be efficiently radiated by joining the heat sink to the bias electrode. An inversion type APD with improved light input resistance can be realized by improving heat dissipation.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2に、本発明の一実施形態にかかる反転型APDの構造を示す。InP基板(第1の基板)201上に形成された反転型APDに対して、APDのメサ210が形成された面(第1の面)に、接着層としてBCB(Benzocyclobutene)膜211を用いてシリコン基板(第2の基板)212を接合する。InP基板201の第1の面と対向する面(第2の面)からビアを開口し、シグナル電極207を接続する。接合されたシリコン基板212にもビアを開口し、シリコン基板212にバイアス電極208とヒートシンク209とを順に接合する。
FIG. 2 shows the structure of an inversion APD according to an embodiment of the present invention. For the inverted APD formed on the InP substrate (first substrate) 201, a BCB (Benzocyclobutene)
このような構成により、アバランシェ層204で発生した熱は、n型コンタクト層205とバイアス電極208を介して、ヒートシンク209に伝わるので、効率よく放熱することができる。放熱性の向上により光入力耐性が向上した反転型APDを実現することができる。
With such a configuration, heat generated in the
図3〜15を参照して、本実施形態の反転型APDの製造方法を説明する。Feなどをドープした高抵抗なInPからなるInP基板201の第1の面上に、有機金属気相成長(MOVPE)法などのエピタキシャル成長法を利用し、p型InAlGaAsコンタクト層202、InGaAs光吸収層203、 InAlAsアバランシェ層204、n型InPコンタクト層205を順次形成する(図3)。
With reference to FIGS. 3 to 15, a manufacturing method of the inversion type APD of this embodiment will be described. A p-type
次に、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術により、上述したp型コンタクト層202、光吸収層203、アバランシェ層204、n型コンタクト層205をメサ型に加工する(図4)。このとき、APDを形成するためのAPDメサ210と、シグナル電極207を形成するための電極メサ220とを形成しておく。p型コンタクト層202、APDメサ210および電極メサ220のn型コンタクト層205に、オーミック接触する電極214,215,221をそれぞれ形成する(図5)。
Next, the p-
メサを形成した面をBCB膜211によりコーティングして平坦化し、接着層とする。BCB膜211の表面には、水分等から半導体表面を保護するためにSiN膜216を形成しておく(図6)。
The surface on which the mesa is formed is coated with a
ドライエッチング法により、p型コンタクト層202の電極214および電極メサ220の電極221が露出するように、SiN膜216とBCB膜211を開口する(図7)。Auからなる配線電極217を、フォトリソグラフィー、リフトオフ技術、真空蒸着技術、または、めっき技術により形成し、p型コンタクト層202の電極214および電極メサ220の電極221とを接続する(図8)。
By dry etching, the
次に、接着層としてBCB膜218を塗布したシリコン基板212を準備し、InP基板201のAPDメサ210を形成した第1の面のSiN膜216と、シリコン基板212のBCB膜218とを張り合わせる(図9、10)。InP基板201の第2の面を、グラインダ等の公知の技術を用いて研磨した後、1.3μm帯の通信用の波長のレーザ光に対して、透過率を向上させるための反射防止膜(AR膜)213を形成する(図11)。
Next, a
公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチング法により、電極メサ220の電極221が露出するように、AR膜213、InP基板201およびメサ220を開口する(図12)。公知のめっき法によりAu等のビアを形成して、AR膜213上にシグナル電極207を形成する(図13)。
The
公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いて、メサ210のn型コンタクト層205に接合されている電極215が露出するように、シリコン基板212、BCB膜218,211およびSiN膜216を開口する(図14)。公知のめっき法によりAu等のビアを形成して、n型コンタクト層205に接続するバイアス電極208を形成する(図15)。
Using known photolithography and dry etching, the
最後にダイシングによりチップ化し、APDチップのバイアス電極208をヒートシンク209に接合して、本実施形態の反転型APDが完成する(図16)。
Finally, the chip is formed by dicing, and the
バイアス電極208とシグナル電極207との間に、バイアス電圧を印加し、InP基板201の第2の面、APDのメサが形成された面と対向する面から光231を入射する。バイアス電圧は、例えば、非特許文献1によれば、増倍率が10の場合、22V程度である。入射された光231は、光吸収層203において吸収され、光電流が発生する。光電流は電子とホールとから成り、このうち電子がアバランシェ層204に到達すると、アバランシェ増倍が発生し、新たな電子とホールが発生する。
A bias voltage is applied between the
このとき、APDに印加された電圧と、光入射によって発生した光電流に比例して、ジュール熱が発生するが、主にアバランシェ層に電界が閉じ込められるようになっているため、アバランシェ層204における発熱が主となる。発生した熱は、n型コンタクト層205、バイアス電極208を介してヒートシンク209に伝導する。従って、従来の反転型APDと比較して、放熱特性が向上する。
At this time, Joule heat is generated in proportion to the voltage applied to the APD and the photocurrent generated by light incidence, but the electric field is mainly confined in the avalanche layer. Fever is the main. The generated heat is conducted to the
図17に、APDのメサの大きさと温度上昇との関係を示す。横軸は、反転型APDのメサの直径であり、縦軸は、APDの接合部における温度上昇量を示している。上述したように、図1に示した従来の反転型APDは、アバランシェ層104とヒートシンク109の間にInGaAs光吸収層103があるために、ヒートシンク109に熱が伝わりにくい。従来の反転型APDは、接合容量を低減するために接合面積を小さくする、すなわちメサの直径を小さくすると、温度上昇量が急激に増大する。
FIG. 17 shows the relationship between the APD mesa size and the temperature rise. The horizontal axis represents the diameter of the mesa of the inverted APD, and the vertical axis represents the amount of temperature rise at the junction of the APD. As described above, the conventional inversion type APD shown in FIG. 1 has the InGaAs
一方、本実施形態の反転型APDは、アバランシェ層204とヒートシンク209の間には、熱伝導率の低いInGaAs層がないために、放熱特性が向上する。図17に示すとおり、メサの直径を小さくしても温度上昇量が少なく、従来の反転型APDと比較して温度上昇量が1/3〜1/5程度に抑制されている。従って、本実施形態によれば、高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させることができる。
On the other hand, since the inverted APD of this embodiment does not have an InGaAs layer with low thermal conductivity between the
なお、本実施形態においては、APDのメサ210が形成された面に接合する基板としてシリコン基板212を用いて説明したが、他の材料の基板、例えばInP基板を用いても同様の効果が得られることは自明である。
In this embodiment, the
また、各層の材料について、p型コンタクト層202をInAlGaAs、アバランシェ層204をInAlAs、n型コンタクト層205をInPにて説明したが、他の材料を用いた構成でもよい。例えば、p型、n型のコンタクト層は、InGaAsPでもよいし、アバランシェ層はInPでもよい。
Further, regarding the material of each layer, the p-
101,201 InP基板
102,202 p型コンタクト層
103,203 光吸収層
104,204 アバランシェ層
105,205 n型コンタクト層
106 絶縁膜
107,207 シグナル電極
108,208 バイアス電極
109,209 ヒートシンク
210,220 メサ
211,218 BCB膜
212 シリコン基板
213 AR膜
214,215,221 電極
216 SiN膜
217 配線電極
111,231 光
101, 201
Claims (4)
前記第1の基板上の前記APDメサが形成された第1の面に、接着層を介して接合された第2の基板と、
前記第2の基板および前記接着層を開口して、前記APDメサのn型コンタクト層に接合されたバイアス電極と、
前記第1の基板の第1の面と対向する第2の面から開口したビアを介して前記APDメサのp型コンタクト層に接合されたシグナル電極とを備え、
前記APDメサの前記アバランシェ層からの発熱は、前記バイアス電極を介して放熱されることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。 An avalanche photodiode including an APD mesa in which a p-type contact layer, a light absorption layer, an avalanche layer, and an n-type contact layer are sequentially stacked on a first substrate made of InP,
A second substrate bonded via an adhesive layer to the first surface on which the APD mesa is formed on the first substrate;
A bias electrode that opens the second substrate and the adhesive layer and is bonded to the n-type contact layer of the APD mesa;
A signal electrode joined to the p-type contact layer of the APD mesa through a via opened from a second surface facing the first surface of the first substrate;
The avalanche photodiode is characterized in that heat generated from the avalanche layer of the APD mesa is radiated through the bias electrode.
前記第1の基板上に前記APDメサと、シグナル電極を形成するための電極メサとを形成し、第1の接着層を形成して平坦化する第1工程と、
前記APDメサのp型コンタクト層に形成された第1の電極と、前記電極メサのn型コンタクト層に形成された第2の電極とが露出するように前記第1の接着層を開口し、配線電極により前記第1および前記第2の電極を接続する第2工程と、
前記第1の基板上の前記APDメサが形成された第1の面に、第2の接着層が形成された第2の基板を、前記第1および前記第2の接着層を介して接合する第3工程と、
前記電極メサのn型コンタクト層に形成された前記第2の電極が露出するように前記第1の基板の第1の面と対向する第2の面から前記電極メサを開口したビアを介して、前記APDメサのp型コンタクト層に接合されたシグナル電極を形成する第4工程と、
前記APDメサのn型コンタクト層に形成された第3の電極が露出するように前記第2の基板および前記接着層を開口し、バイアス電極を形成する第5工程と
を備えた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。 An avalanche photodiode manufacturing method comprising an APD mesa in which a p-type contact layer, a light absorption layer, an avalanche layer, and an n-type contact layer are sequentially stacked on a first substrate made of InP,
Forming the APD mesa and an electrode mesa for forming a signal electrode on the first substrate, forming a first adhesive layer, and planarizing the first step;
Opening the first adhesive layer so that the first electrode formed in the p-type contact layer of the APD mesa and the second electrode formed in the n-type contact layer of the electrode mesa are exposed; A second step of connecting the first and second electrodes by wiring electrodes;
A second substrate on which a second adhesive layer is formed is bonded to the first surface on which the APD mesa is formed on the first substrate via the first and second adhesive layers. A third step;
Via a via that opens the electrode mesa from a second surface facing the first surface of the first substrate so that the second electrode formed in the n-type contact layer of the electrode mesa is exposed. Forming a signal electrode joined to the p-type contact layer of the APD mesa;
And a fifth step of forming a bias electrode by opening the second substrate and the adhesive layer so that the third electrode formed in the n-type contact layer of the APD mesa is exposed. A method of manufacturing an avalanche photodiode.
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