JP2682253B2 - アバランシェ・フォトダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光通信における
微小光信号の検出に用いるアバランシェフォトダイオー
ド及びこれの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアバランシェ・フォトダイオード
としては、例えば図４に示すようなものがある。これ
は、ｎ⁺ −ＩｎＰ基板１上にｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収
層２を形成し、この光吸収層２上にｎ−ＩｎＰ増倍層３
を形成し、この増倍層３の上面側からｐ型の不純物を選
択拡散して、ｐ⁺ 受光領域４を形成することによって製
造したものである。

【０００３】このようなアバランシェ・フォトダイオー
ドでは、図４に示すように増倍層３とｐ⁺ 受光領域４と
によって形成されたｐ⁺ −ｎ接合にアバランシェブレー
クダウンを起こす寸前の逆バイアスを、ｐ⁺ 受光領域４
と基板１との間に電源５を印加することによって与え
る。この逆バイアス状態では、増倍層３及び光吸収層２
内に空乏層６が形成されている。この状態において、ｐ
⁺ 受光領域４に入射した光信号は、空乏層６を通過して
光吸収層２に到達し、ここで吸収されることによって、
電子、ホール対を発生する。このうちホールは、空乏層
６の電界によってドリフトし、空乏層６内に注入され
る。この注入されたホールは、増倍層３中で加速され、
その大きな運動エネルギーを持って空乏層６中の格子原
子と衝突し、これを電離して、電子とホールとの対を発
生させる。この現象は連鎖的に起こり、多数のホール及
び電子が発生し、ホールが受光領域４を介して電源５に
流れる。一方、電子は空乏層６から光吸収層２、基板１
を介して電源５に流れる。従って、光信号を増倍した電
流が流れることとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】アバランシェ・フォト
ダイオードにおいて、利得・帯域積（ＧＢ積）を向上さ
せることが望まれている。ＧＢ積を向上させるには、空
乏層６の最大電界を高めて、ホールが速やかに空乏層６
を通過する必要がある。そのため、増倍層３のキャリア
濃度を増加させ、これによって空乏層６の電界勾配を急
峻にし、その結果、最大電界を高める必要がある。ま
た、増倍層３のキャリア濃度を高めるには、増倍層３の
幅Ｗｂを狭くする必要がある。図５は、増倍層３のキャ
リア濃度ＮｂとＧＢ積との関係及びキャリア濃度Ｎｂと
増倍層３の厚さＷｂとの関係を示したもので、上述した
ようにＧＢ積を大きくするにはキャリア濃度を高める必
要があり、それには増倍層３の厚さＷｂを薄くする必要
がある。特に、例えばＧＢ積を１００以上とするため
に、キャリア濃度を２×１０¹⁷ｃｍ^-3に高めようとする
と、Ｗｂは０．２μｍ程度まで小さくしなければならな
い。このＷｂの精度は、ｐ⁺ 受光領域４を選択拡散した
際の拡散の精度に左右されるが、選択拡散を０．１μｍ
のオーダの精度で制御することは困難であった。例え
ば、特開平1-261874号公報に形成されているように、ｐ
⁺ 受光領域の直下に不純物濃度の低い１つのｎ^- −Ｉｎ
Ｐ層と、不純物濃度の高い１つのｎ⁺ −ＩｎＰ層とをｐ
⁺ 受光領域側からこの順に設け、これらを増倍層として
使用すると、増倍層の厚さを厚くした上で、ＧＢ積を向
上させることができる。しかし、これでは、不純物濃度
の低い層と高い層の厚さの比率が不明確であり、仮に不
純物濃度の高い層の厚さが低い層よりも薄いと、光吸収
層側から増倍層側へ注入されたホールは、不純物濃度の
高い層で急速に加速されて、増倍作用を営んだ後、距離
の長い不純物濃度の低い層を低い速度で通り抜ける。受
光領域と不純物濃度の低い層との接合付近で電離によっ
て発生した電子は、比較的低い速度で出発し、低い濃度
の層をゆっくりと通り、不純物濃度の高い層を通り、光
吸収層に向かう。従って、アバランシェ・フォトダイオ
ードの応答性が劣化するという問題が発生する。仮に不
純物濃度の高い層と低い層との厚さを等しくしたとする
と、不純物濃度の高い層での最高電界が小さくなり、充
分な増倍作用を発揮しなくなるという問題が発生する。

【０００５】本発明は、上記の問題点を解決したアバラ
ンシェ・フォトダイオード及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によるアバランシ
ェ・フォトダイオードは、従来のものと同様に、第１の
導電型の半導体基板と、この基板上に形成された第１の
導電型の光吸収層と、この吸収層上に形成された第１の
導電型の増倍層と、この増倍層上に形成された第２の導
電型の受光層とを、具備している。そして、増倍層を、
不純物濃度の高い層と低い層とからなる組を複数組有す
るものとされている。なお、不純物濃度の高い層を不純
物濃度の低い層よりも薄く形成することもできる。

【０００７】また、本発明によるアバランシェ・フォト
ダイオードの製造方法は、第１の導電型の半導体基板上
に第１の導電型の光吸収層を形成し、この光吸収層上
に、不純物濃度の高い第１の導電型の半導体層と不純物
濃度の低い半導体層との組を複数組積層し、この積層層
上に第１の導電型の半導体層を形成し、この半導体層に
第２の導電型の不純物を拡散して受光領域を形成するも
のである。

【０００８】

【作用】本発明によるアバランシェ・フォトダイオード
では、不純物濃度の高い層と低い層とからなる組を複数
組設けて増倍層を構成しているので、不純物濃度の高い
層での電界は高くなり、不純物濃度の低い層の電界は低
くなる。その結果、電界の高い層と低い層とが交互に形
成される。従って、光吸収層から到来したホールは、こ
の電界の高い層でホールと電子との対を発生し、ホール
は電界の低い層を通って次の電界の高い層に入る。以
下、同様にして増倍作用が行われる。

【０００９】

【実施例】この実施例は、図１に示すように、ｎ⁺ −Ｉ
ｎＰ基板１０を有している。この基板は、例えば１００
乃至３００μｍの厚さを有し、不純物として硫黄または
すずを含み、その濃度は例えば１０¹⁸ｃｍ^-3台とされて
いる。また、この基板１０上には光吸収層１２が形成さ
れている。この光吸収層１２は、例えばｎ^- −Ｉｎ_0.53
Ｇａ_0.47Ａｓによって形成されており、その厚さは例え
ば２乃至４μｍであり、不純物として硫黄またはすずを
含み、その濃度は例えば１０¹⁵ｃｍ^-3台とされている。

【００１０】光吸収層１２上には増倍層１４が設けられ
ている。この増倍層１４は、光吸収層１２に接している
不純物濃度の高いｎ⁺ −ＩｎＰ層１６を有し、このＩｎ
Ｐ層１６に接して不純物濃度の低いｎ^- −ＩｎＰ層１８
が設けられている。ｎ⁺ −ＩｎＰ層１６は、その厚さが
例えば０．０７μｍであり、不純物として硫黄またはす
ずを使用しており、その濃度は例えば５×１０¹⁶ｃｍ^-3
とされている。また、ｎ^- −ＩｎＰ層１８は、その厚さ
が０．２３μｍとされ、不純物として硫黄またはすずを
使用しており、その濃度は例えば１×１０¹⁶ｃｍ^-3とさ
れている。即ち、ｎ⁺ −ＩｎＰ層１６の方がｎ^- −Ｉｎ
Ｐ層１８よりも薄く形成されている。

【００１１】ｎ^- −ＩｎＰ層１８上には、ｎ⁺ −ＩｎＰ
層１６と同様なｎ⁺ −ＩｎＰ層２０が形成されており、
さらにｎ⁺ −ＩｎＰ層２０上には、ｎ^- −ＩｎＰ層１８
と同様なｎ^- −ＩｎＰ層２２が形成されている。また、
ｎ^- −ＩｎＰ層２２上にはｎ⁺ −ＩｎＰ層１６と同様な
ｎ⁺ −ＩｎＰ層２４が形成され、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２４上
にはｎ^- −ＩｎＰ層１８と同様なｎ^- −ＩｎＰ層２６が
形成されている。このｎ^- −ＩｎＰ層２６上にはｎ⁺ −
ＩｎＰ層１６と同様なｎ⁺ −ＩｎＰ層２８が形成されて
いる。そして、このｎ⁺ −ＩｎＰ層２８上には、後述す
るように受光領域３０が 選択拡散によって形成されて
いるｎ^- −ＩｎＰ層３２が形成されている。このｎ^- −
ＩｎＰ層３２の受光領域３０の下面とｎ⁺ −ＩｎＰ層２
８との間に位置する領域の厚さは、ｎ^- −ＩｎＰ層１８
の厚さとほぼ等しくされている。ｎ⁺ −ＩｎＰ層１６、
ｎ^- −ＩｎＰ層１８、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２０、ｎ^- −Ｉｎ
Ｐ層２２、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２４、ｎ^- −ＩｎＰ層２６、
ｎ⁺ −ＩｎＰ層２８、ｎ^- −ＩｎＰ層３２において受光
領域３０の下面とｎ⁺ −ＩｎＰ層２８との間に位置する
領域３４とによって、増倍層１４が形成されている。そ
して、この増倍層１４は、ｎ⁺ −ＩｎＰ層とｎ^- −Ｉｎ
Ｐ層とを１組とし、これを複数組、例えば４組積層した
構成であり、その全体の厚さＷｂは約１．２μｍとされ
ている。

【００１２】受光領域３０は、ｐ⁺ −ＩｎＰ層によって
構成されており、その厚さは例えば１μｍとされ、不純
物として例えば亜鉛またはカドミウムが用いられ、その
濃度は例えば１０¹⁸ｃｍ^-3台とされている。

【００１３】このように構成されたアバランシェ・フォ
トダイオードは、基板１０上に光吸収層１２、ｎ⁺ −Ｉ
ｎＰ層１６、ｎ^- −ＩｎＰ層１８、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２
０、ｎ^- −ＩｎＰ層２２、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２４、ｎ^- −
ＩｎＰ層２６、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２８、ｎ^- −ＩｎＰ層３
２を、順に例えばＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法によって
形成し、さらにｎ^- −ＩｎＰ層３２の上面側からｐ⁺ −
ＩｎＰを選択拡散することによって受光領域３０を形成
することによって製造される。

【００１４】このアバランシェ・フォトダイオードは、
上述した従来のものと同様に増倍層１４とｐ⁺ 受光領域
３０とによって形成されたｐ⁺ −ｎ接合が、アバランシ
ェブレークダウンを起こす寸前の逆バイアスを、ｐ⁺ 受
光領域３０と基板１０との間に印加する。これによっ
て、上述した従来のものと同様に、ｐ⁺ 受光領域３０に
到来した光信号は、増倍層１４を介して光吸収層１２に
到達し、ここでホールと電子との対を形成し、ホールは
増倍層１４に形成された空乏層電界によって増倍層１４
に向かい、ここで格子原子と衝突して、格子原子を電離
し、ホールと電子との対を生成する。そして、ホールは
さらに増倍層１４内を進行し、さらにホールと電子との
対を生成する。以下、同様にして多数のホールと電子が
発生し、ホールはｐ⁺ 受光領域３０に向かい、電子は光
吸収層１２を介して基板１０側に向かう。

【００１５】図２は、この実施例の増倍層１４と光吸収
層１２とにおける深さ方向の電界分布を示したもので、
ｘ＝０がｐ⁺ 受光領域３０とｎ^- −ＩｎＰ層３２とのｐ
⁺ −ｎ接合部を示し、ｘ＝Ｗｂが増倍層１４と光吸収層
１２とのヘテロ接合部を示し、Ｅｍａｘはｘ＝０での電
界、Ｅｈはｘ＝Ｗｂでの電界（ヘテロ接合電界）を示
す。増倍層１４及び光吸収層１２を上述したように構成
した場合、Ｅｍａｘは５×１０⁵ Ｖ／ｃｍ、Ｅｈは１．
５×１０⁵ Ｖ／ｃｍとなる。そして、ｎ⁺ −ＩｎＰ層１
６、ｎ^- −ＩｎＰ層１８、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２０、ｎ^- −
ＩｎＰ層２２、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２４、ｎ^- −ＩｎＰ層２
６、ｎ⁺ −ＩｎＰ層２８、ｎ^- −ＩｎＰ層３４における
電界勾配は、同図に示すようにｎ⁺ −ＩｎＰ層１６、２
０、２４、２８において急峻となり、ｎ^- −ＩｎＰ層１
８、２２、２６、３４において電界勾配が緩やかにな
る。即ち、階段状の電界勾配を形成する。なお、平均的
にみると、電界勾配は２．５×１０¹⁶ｃｍ^-3の不純物濃
度として、約２μｍの厚さのｎ^- −ＩｎＰ層を１層だけ
増倍層として設けた場合の電界勾配に近づけてある。電
界が急峻となるのは、ｎ⁺ −ＩｎＰ層１６、２０、２
４、２８における不純物の濃度が高く、かつその厚さが
薄いことに起因する。また、電界勾配が緩やかになるの
は、ｎ^- −ＩｎＰ層１８、２２、２６、３４における不
純物濃度が低く、その厚さが厚いことに起因する。

【００１６】従って、光吸収層１２から到来したホール
は、電界勾配が急峻なｎ⁺ −ＩｎＰ層１６、２０、２
４、２８においてそれぞれ急速に加速され、これらの層
でそれぞれ格子原子を電離し、ホールと電子との対を形
成する。このようにして形成されたホールは、ｐ⁺ 受光
領域３０に向かう。また、このようにして形成された電
子は、増倍層１４に形成された空乏層の電界によって光
吸収層１２を介して基板１０側に向かう。ここで、不純
物濃度の高い、即ち電界勾配の急峻なｎ⁺ −ＩｎＰ層１
６、２０、２４、２８の間に、不純物濃度の低い、即ち
電界勾配の緩やかなｎ^- −ＩｎＰ層１８、２２、２６、
３４が形成されているので、増倍層１４の厚さを通常に
必要な厚さよりも厚くすることができる。また、電界勾
配の急峻なｎ⁺ −ＩｎＰ層１６、２０、２４、２８が設
けられているので、ＧＢ積を向上させることができる。
しかも、不純物濃度が低いｎ^- −ＩｎＰ層１８、２２、
２６、３４が分割して形成されているので、応答性が良
好になる。

【００１７】図３に実線で示したのは、この実施例のア
バランシェ・フォトダイオードの遮断周波数ｆｃの増倍
率Ｍに対する依存性を示したもので、遮断周波数ｆｃは
増倍率Ｍが１乃至約２０の範囲で５．２ＧＨｚであり、
以後増倍率Ｍが増加するに従って低下する。点線で示し
たのは、図４に示す従来の構造のものにおいて増倍層の
不純物濃度を５×１０¹⁶ｃｍ^-3、２．５×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3、１×１０¹⁶ｃｍ^-3とし、Ｗｂをそれぞれ図５の不
純物濃度とＷｂとの関係に基づいた厚さとした場合の遮
断周波数ｆｃの増倍率Ｍに対する依存性を示したもので
ある。なお、従来のものの遮断周波数ｆｃは、増倍率Ｍ
が１乃至約１０の範囲でそれぞれ９．１ＧＨｚ（ｆｃ
１）、５．２ＧＨｚ（ｆｃ２）、２．５ＧＨｚ（ｆｃ
３）と一定であり、以後増倍率Ｍの増加に従って低下し
ている。この図において遮断周波数ｆｃが一定の領域
は、Ｗｂに依存した走行時間制限領域である。遮断周波
数ｆｃと増倍率Ｍとの積が一定な領域は、増倍時間、即
ちＧＢ積に制限された領域である。この実施例によるも
のでは、増倍率Ｍの小さい領域で従来の不純物濃度を
２．５×１０¹⁶ｃｍ^-3としたものと同様な遮断周波数特
性を示すが、増倍率Ｍの大きな領域で不純物濃度を５×
１０¹⁶ｃｍ^-3としたものに近い遮断周波数特性を示す。
即ち、増倍率の大きな領域においてＧＢ積が向上してい
る。

【００１８】上記の実施例では、増倍層を不純物濃度の
高い層と、低い層とを１組とし、この組を４組設けた
が、２組以上の層であれば、その組数は任意に変更する
ことができる。また、上記の実施例では、基板１０、光
吸収層１２、増倍層１４をｎ型とし、受光領域３０をｐ
型としたが、逆に基板１０、光吸収層１２、増倍層１４
をｐ型とし、受光領域３０をｎ型としてもよい。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、本発明によるアバランシ
ェ・フォトダイオードによれば、不純物濃度の高い層と
薄い層を１組とし、これを複数組設けて増倍層を形成し
ているので、ＧＢ積を大きくしながら、増倍層の厚さを
厚くすることができる。従って、受光領域を拡散によっ
て形成しても、精度良く増倍層を形成することができ
る。また、不純物濃度の高い層の厚さを、不純物濃度の
薄い層よりも薄く形成したものを、複数組設けているの
で、応答性が良好になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアバランシェ・フォトダイオード
の一実施例の縦断面図である。

【図２】同実施例における電界分布図である。

【図３】同実施例及び従来のアバランシェ・フォトダイ
オードの遮断周波数と増倍率との関係を示す図である。

【図４】従来のアバランシェ・フォトダイオードの縦断
面図である。

【図５】アバランシェ・フォトダイオードのＧＢ積と増
倍層の厚さとのキャリア濃度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１０ 基板 １２ 光吸収層 １４ 増倍層 ３０ 受光領域

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の導電型の半導体基板と、この基板
   上に形成された第１の導電型の光吸収層と、この吸収層
   上に形成された第１の導電型の増倍層と、この増倍層上
   に形成された第２の導電型の受光層とを、具備し、上記
   増倍層が、不純物濃度の高い層と低い層とからなる組を
   複数組有することを特徴とするアバランシェ・フォトダ
   イオード。
2. 【請求項２】 請求項１記載のアバランシェ・フォトダ
   イオードにおいて、上記不純物濃度の高い層が上記不純
   物濃度の低い層よりも薄く形成されていることを特徴と
   するアバランシェ・フォトダイオード。
3. 【請求項３】 第１の導電型の半導体基板上に第１の導
   電型の光吸収層を形成する段階と、この光吸収層上に、
   不純物濃度の高い第１の導電型の半導体層と不純物濃度
   の低い半導体層との組を複数組積層する段階と、この積
   層層上に第１の導電型の半導体層を形成する段階と、こ
   の半導体層に第２の導電型の不純物を拡散して受光領域
   を形成する段階とを、具備するアバランシェ・フォトダ
   イオードの製造方法。