JP2751846B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信，光情報処理お
よび光計測などに適用される半導体受光素子に係わり、
特にアバランシェ増倍型半導体受光素子に関するもので
ある。
よび光計測などに適用される半導体受光素子に係わり、
特にアバランシェ増倍型半導体受光素子に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来、１〜１．６μｍ帯の光通信用半導
体受光素子としてＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎ0.53
Ｇａ0.47Ａｓ層（以下、ＩｎＧａＡｓ層と略す）を光吸
収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（「光通信素子工
学」、米津氏著、工学図書株式会社刊、３７１頁（１９
８３年）に記載）およびアバランシェ増倍型半導体受光
素子（エレクトロニクス・レターズ（Electronics Let
ters）１９８４年，２０巻，ｐｐ６５３−６５４に記
載）が知られている。特に後者は、アバランンシェ増倍
作用による内部利得効果および高速応答性を有する点で
長距離通信用として実用化されている。
体受光素子としてＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎ0.53
Ｇａ0.47Ａｓ層（以下、ＩｎＧａＡｓ層と略す）を光吸
収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（「光通信素子工
学」、米津氏著、工学図書株式会社刊、３７１頁（１９
８３年）に記載）およびアバランシェ増倍型半導体受光
素子（エレクトロニクス・レターズ（Electronics Let
ters）１９８４年，２０巻，ｐｐ６５３−６５４に記
載）が知られている。特に後者は、アバランンシェ増倍
作用による内部利得効果および高速応答性を有する点で
長距離通信用として実用化されている。
【０００３】図６は、従来のＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤ（以
下、アバランシェ増倍型半導体受光素子はＡＰＤと略
す）の構造を示す断面図である。図６において、１はｎ
型ＩｎＰ基板、２はｎ+ 型ＩｎＰバッファ層、９はＳｉ
ＮX パッシベーション膜、１０はｎ型オーミック電極、
１１はｐ型オーミック電極、１２は入射光、１３はｎ-
ＩｎＧａＡｓ光吸収層、１４はｎ型ＩｎＰ増倍層、２０
はｎ型ＩｎＰキャップ層、２１はｐ+ 型受光領域、２２
はｐ- 型ガードリング領域である。
下、アバランシェ増倍型半導体受光素子はＡＰＤと略
す）の構造を示す断面図である。図６において、１はｎ
型ＩｎＰ基板、２はｎ+ 型ＩｎＰバッファ層、９はＳｉ
ＮX パッシベーション膜、１０はｎ型オーミック電極、
１１はｐ型オーミック電極、１２は入射光、１３はｎ-
ＩｎＧａＡｓ光吸収層、１４はｎ型ＩｎＰ増倍層、２０
はｎ型ＩｎＰキャップ層、２１はｐ+ 型受光領域、２２
はｐ- 型ガードリング領域である。
【０００４】このような構成において、ＩｎＧａＡｓ光
吸収層１３で発生した光キャリアの中で正孔キャリアが
電界によりｎ型ＩｎＰ増倍層１４に注入される。このｎ
型ＩｎＰ増倍層１４は、高電界が印加されているので、
イオン化衝突が生じ、増倍特性に至る。この場合、素子
特性上、重要な雑音，高応答特性は、増倍過程でのキャ
リアのランダムなイオン化プロセスに支配されているこ
とが知られている。具体的には、増倍層であるＩｎＰ層
１４の電子と正孔とのイオン化率に差があるほどイオン
化率が大きくとれ（電子および正孔のイオン化率をそれ
ぞれα，βとすると、α／β＞１のときには電子、β／
α＞１のときには正孔がイオン化衝突を起こす主キャリ
アとなるべきである）、素子特性上望ましい。
吸収層１３で発生した光キャリアの中で正孔キャリアが
電界によりｎ型ＩｎＰ増倍層１４に注入される。このｎ
型ＩｎＰ増倍層１４は、高電界が印加されているので、
イオン化衝突が生じ、増倍特性に至る。この場合、素子
特性上、重要な雑音，高応答特性は、増倍過程でのキャ
リアのランダムなイオン化プロセスに支配されているこ
とが知られている。具体的には、増倍層であるＩｎＰ層
１４の電子と正孔とのイオン化率に差があるほどイオン
化率が大きくとれ（電子および正孔のイオン化率をそれ
ぞれα，βとすると、α／β＞１のときには電子、β／
α＞１のときには正孔がイオン化衝突を起こす主キャリ
アとなるべきである）、素子特性上望ましい。
【０００５】ところが、イオン化率比（α／βまたはβ
／α）は、材料物性的に決定されており、ＩｎＰでは高
々β／α＝２程度である。これは、低雑音特性を有する
Ｓｉのα／β＝２０と大きな違いがあり、より低雑音お
よび高応答性を実現するために画期的な技術革新が要求
されている。
／α）は、材料物性的に決定されており、ＩｎＰでは高
々β／α＝２程度である。これは、低雑音特性を有する
Ｓｉのα／β＝２０と大きな違いがあり、より低雑音お
よび高応答性を実現するために画期的な技術革新が要求
されている。
【０００６】これに対して近年では、アバランシェ増倍
型半導体受光素子において、増倍層に超格子構造を適用
し、伝導帯不連続エネルギーによる電子のイオン化促進
を意図した超格子ＡＰＤまたは階段型ＡＰＤが研究され
ている。特にＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子層
を増倍層とした超格子ＡＰＤにおいて、利得帯域幅積１
２０ＧＨｚが報告されている（アイ・イー・イー・イー
フォトニクス テクノロジー レターズ（ＩＥＥＥ
ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅ
ｒｓ）１９９３年、５巻、ｐｐ６７５−６７７に記
載）。
型半導体受光素子において、増倍層に超格子構造を適用
し、伝導帯不連続エネルギーによる電子のイオン化促進
を意図した超格子ＡＰＤまたは階段型ＡＰＤが研究され
ている。特にＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子層
を増倍層とした超格子ＡＰＤにおいて、利得帯域幅積１
２０ＧＨｚが報告されている（アイ・イー・イー・イー
フォトニクス テクノロジー レターズ（ＩＥＥＥ
ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅ
ｒｓ）１９９３年、５巻、ｐｐ６７５−６７７に記
載）。
【０００７】また、ＩｎＡｌＡｓ−ＩｎＡｌＧａＡｓ組
成傾斜多周期層を増倍層とした階段型ＡＰＤにおいて
は、超格子ＡＰＤを超える高増倍特性が報告されている
（ジャパン・ジャーナル・アプライド・フィジックス
（Ｊａｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）１９９４年、３
３巻、ｐｐ．Ｌ３２−３４に記載）。
成傾斜多周期層を増倍層とした階段型ＡＰＤにおいて
は、超格子ＡＰＤを超える高増倍特性が報告されている
（ジャパン・ジャーナル・アプライド・フィジックス
（Ｊａｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）１９９４年、３
３巻、ｐｐ．Ｌ３２−３４に記載）。
【０００８】図７は、従来のＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧ
ａＡｓ超格子ＡＰＤの構造を示す断面図である。図７に
おいて、このＡＰＤは、まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に気
相成長法によりｎ+ 型ＩｎＰバッファ層２，ｎ+ 型Ｉｎ
ＡｌＡｓバッファ層３，ｎ-型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌ
ＧａＡｓ超格子増倍層４，ｐ+ 型電界緩和層５，ｐ-型
光吸収層６，ｐ+ 型ＩｎＰキャップ層７およびｐ+ 型Ｉ
ｎＧａＡｓコンタクト層８が順次積層して形成され、超
格子増倍層４は、ｎ- 型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ増倍障壁
層１５とｎ- 型Ｉｎ0.5Ａｌ0.23Ｇａ0.27 Ａｓ増倍井戸
層１６とから構成されている。
ａＡｓ超格子ＡＰＤの構造を示す断面図である。図７に
おいて、このＡＰＤは、まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に気
相成長法によりｎ+ 型ＩｎＰバッファ層２，ｎ+ 型Ｉｎ
ＡｌＡｓバッファ層３，ｎ-型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌ
ＧａＡｓ超格子増倍層４，ｐ+ 型電界緩和層５，ｐ-型
光吸収層６，ｐ+ 型ＩｎＰキャップ層７およびｐ+ 型Ｉ
ｎＧａＡｓコンタクト層８が順次積層して形成され、超
格子増倍層４は、ｎ- 型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ増倍障壁
層１５とｎ- 型Ｉｎ0.5Ａｌ0.23Ｇａ0.27 Ａｓ増倍井戸
層１６とから構成されている。
【０００９】その後、Ｂｒ系エッチャントによりメサ形
成を行い、ＳｉＮX をパッシベーション膜９として表面
に堆積させる。その後、蒸着によりｎ側オーミック電極
１０およびｐ側オーミック電極１１を形成して完成す
る。なお、入射光１２は表面から入射される。
成を行い、ＳｉＮX をパッシベーション膜９として表面
に堆積させる。その後、蒸着によりｎ側オーミック電極
１０およびｐ側オーミック電極１１を形成して完成す
る。なお、入射光１２は表面から入射される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】前述した超格子ＡＰＤ
および階段型ＡＰＤにおいては、実用化されているＩｎ
ＧａＡｓ−ＡＰＤを凌駕する特性が報告されている。し
かしながら、これら超格子ＡＰＤおよび階段型ＡＰＤで
は、素子構造がメサ型であるため、メサ型構造側面のパ
ッシベーションの不完全さから、長期間における信頼性
は確立されていない。これは、プレーナ構造と二重ガー
ドリング構造との採用により、寿命１０万時間以上を確
立しているＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤと大きく異なってい
る。
および階段型ＡＰＤにおいては、実用化されているＩｎ
ＧａＡｓ−ＡＰＤを凌駕する特性が報告されている。し
かしながら、これら超格子ＡＰＤおよび階段型ＡＰＤで
は、素子構造がメサ型であるため、メサ型構造側面のパ
ッシベーションの不完全さから、長期間における信頼性
は確立されていない。これは、プレーナ構造と二重ガー
ドリング構造との採用により、寿命１０万時間以上を確
立しているＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤと大きく異なってい
る。
【００１１】つまり、従来のメサ型構造素子は、メサ側
面に配置したパッシベーション膜９としてＳｉＮX など
のアモルファスまたは多結晶膜を用いていることによ
り、単結晶で形成された素子構造と多結晶パッシベーシ
ョン膜との間に格子定数の違いによるダングリングボン
ドが多数発生し、このダングリングボンドの経時的不安
定性から暗電流の増加などの原因となっていた。また、
単結晶膜と多結晶膜とで熱膨張係数差が大きいことか
ら、メサ界面に応力が負荷され、転位の増殖などの原因
にもなっていた。
面に配置したパッシベーション膜９としてＳｉＮX など
のアモルファスまたは多結晶膜を用いていることによ
り、単結晶で形成された素子構造と多結晶パッシベーシ
ョン膜との間に格子定数の違いによるダングリングボン
ドが多数発生し、このダングリングボンドの経時的不安
定性から暗電流の増加などの原因となっていた。また、
単結晶膜と多結晶膜とで熱膨張係数差が大きいことか
ら、メサ界面に応力が負荷され、転位の増殖などの原因
にもなっていた。
【００１２】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、メ
サ界面のダングリングボンドをなくし、ＡＰＤ特性の経
時的劣化を抑制し、その結果、寿命１０万時間以上の高
感度，高速特性および高信頼性が得られる半導体受光素
子を提供することにある。
を解決するためになされたものであり、その目的は、メ
サ界面のダングリングボンドをなくし、ＡＰＤ特性の経
時的劣化を抑制し、その結果、寿命１０万時間以上の高
感度，高速特性および高信頼性が得られる半導体受光素
子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明による半導体受光素子は、メサ型構造の
メサ側面に単結晶の高抵抗層と、半導体基板と同一導電
型の高濃度層とからなるエピタキシャル多重層を設け、
所定の電圧が印加されたときにメサ側面と高抵抗層との
界面よりのびる空乏層が高濃度層に到達する程度の厚さ
に高抵抗層を形成したものである。また、他の発明によ
る半導体受光素子は、メサ型構造のメサ側面に半導体基
板と同一導電型の単結晶の低濃度層と高濃度層とからな
るエピタキシャル多重層を設け、所定の電圧が印加され
たときにメサ側面と低濃度層との界面よりのびる空乏層
が高濃度層に到達する程度の厚さに低濃度層を形成した
ものである。
るために本発明による半導体受光素子は、メサ型構造の
メサ側面に単結晶の高抵抗層と、半導体基板と同一導電
型の高濃度層とからなるエピタキシャル多重層を設け、
所定の電圧が印加されたときにメサ側面と高抵抗層との
界面よりのびる空乏層が高濃度層に到達する程度の厚さ
に高抵抗層を形成したものである。また、他の発明によ
る半導体受光素子は、メサ型構造のメサ側面に半導体基
板と同一導電型の単結晶の低濃度層と高濃度層とからな
るエピタキシャル多重層を設け、所定の電圧が印加され
たときにメサ側面と低濃度層との界面よりのびる空乏層
が高濃度層に到達する程度の厚さに低濃度層を形成した
ものである。
【００１４】
【作用】本発明においては、メサ構造のメサ側面にエピ
タキシャル多重層を設けたことにより、メサ界面のダン
グリングボンドが完全に終端されるとともに、欠陥の導
入が低減され、さらに界面品質の経時変化が少なくな
り、高信頼性特性が実現できる。
タキシャル多重層を設けたことにより、メサ界面のダン
グリングボンドが完全に終端されるとともに、欠陥の導
入が低減され、さらに界面品質の経時変化が少なくな
り、高信頼性特性が実現できる。
【００１５】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。 （実施例１）図１は、本発明による半導体受光素子の一
実施例による構成を説明するための超格子ＡＰＤの素子
構造示す断面図であり、図７と同一部分には同一符号を
付してある。図１において、メサ型構造のメサ側面Ｓに
パッシベーション膜としてＩｎＡｌＡｓ高抵抗層１７′
とｎ+ 型ＩｎＰ基板１と同一導電型のｎ+ 型高濃度空乏
層終端層１８′とからなるエピタキシャル多重層が配設
されている。
説明する。 （実施例１）図１は、本発明による半導体受光素子の一
実施例による構成を説明するための超格子ＡＰＤの素子
構造示す断面図であり、図７と同一部分には同一符号を
付してある。図１において、メサ型構造のメサ側面Ｓに
パッシベーション膜としてＩｎＡｌＡｓ高抵抗層１７′
とｎ+ 型ＩｎＰ基板１と同一導電型のｎ+ 型高濃度空乏
層終端層１８′とからなるエピタキシャル多重層が配設
されている。
【００１６】図２は、高抵抗層１７′を作製する方法を
説明するための図である。従来では高抵抗層を作製する
には、成長層にＦｅをドーピングすることが一般的に行
われていた。このため、Ｆｅを供給するためのフェロセ
ン（ＣＰ2 Ｆｅ）などの材料を必要としていたが、本実
施例では、新たな材料を不要としてＩｎＡｌＡｓ高抵抗
層１７′を得ることができる。
説明するための図である。従来では高抵抗層を作製する
には、成長層にＦｅをドーピングすることが一般的に行
われていた。このため、Ｆｅを供給するためのフェロセ
ン（ＣＰ2 Ｆｅ）などの材料を必要としていたが、本実
施例では、新たな材料を不要としてＩｎＡｌＡｓ高抵抗
層１７′を得ることができる。
【００１７】図２には、ＺｎドーピングＩｎＡｌＡｓの
正孔濃度のV／III比依存性を示しており、この図２から
分かるように低V/III 比の条件下では、ドーピングした
Ｚｎと結晶欠陥との複合体により、ＩｎＡｌＡｓ膜が高
抵抗化することが分かる。Ｚｎはｐ層を形成するために
必要なドーパントであるため、ＩｎＡｌＡｓ高抵抗層１
７′とｎ+ 型高濃度空乏層終端層１８′とをメサ側面Ｓ
に形成する際には、ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ成長におい
て、V/III 比を変化させるのみで簡単に作製することが
できる。
正孔濃度のV／III比依存性を示しており、この図２から
分かるように低V/III 比の条件下では、ドーピングした
Ｚｎと結晶欠陥との複合体により、ＩｎＡｌＡｓ膜が高
抵抗化することが分かる。Ｚｎはｐ層を形成するために
必要なドーパントであるため、ＩｎＡｌＡｓ高抵抗層１
７′とｎ+ 型高濃度空乏層終端層１８′とをメサ側面Ｓ
に形成する際には、ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ成長におい
て、V/III 比を変化させるのみで簡単に作製することが
できる。
【００１８】このような構成によれば、単結晶でエピタ
キシャル多重層を形成することにより、単結晶で形成さ
れた素子構造界面との間に生ずるダングリングボンドの
発生および歪応力負荷の問題を解決することができる。
キシャル多重層を形成することにより、単結晶で形成さ
れた素子構造界面との間に生ずるダングリングボンドの
発生および歪応力負荷の問題を解決することができる。
【００１９】一方、パッシベーション膜を単結晶にした
ことにより、新たに発生する問題点に対しても対処して
いる。すなわち、パッシベーション膜が絶縁特性を有し
ない場合、パッシベーション膜側にも空乏層が伸び、電
界が印加される。よってその電界強度のコントロールす
る必要があるが、単層であると、このコントロールが困
難となり、メサ界面への電界の集中および空乏層の突き
抜けなどが生じてしまう。
ことにより、新たに発生する問題点に対しても対処して
いる。すなわち、パッシベーション膜が絶縁特性を有し
ない場合、パッシベーション膜側にも空乏層が伸び、電
界が印加される。よってその電界強度のコントロールす
る必要があるが、単層であると、このコントロールが困
難となり、メサ界面への電界の集中および空乏層の突き
抜けなどが生じてしまう。
【００２０】本実施例では、高抵抗層１７′と高濃度空
乏層終端層１８′とからなるエピタキシャル多重層構造
を採用しているので、メサ界面からエピタキシャル多重
層側に伸びる空乏層は、高抵抗層１７′を空乏化し、メ
サ界面の電界強度を下げ、その後、この高濃度空乏層終
端層１８′に達すると、終端する。さらに高抵抗層１
７′には上述したようにバンドギャップが広いＩｎＡｌ
Ａｓ層を用いているので、耐圧が高く、メサ界面での電
界印加による暗電流の増加などの劣化現象を抑圧してい
る。これらの作用により、経時的な特性劣化の少ないメ
サ型構造ＡＰＤを実現できる。
乏層終端層１８′とからなるエピタキシャル多重層構造
を採用しているので、メサ界面からエピタキシャル多重
層側に伸びる空乏層は、高抵抗層１７′を空乏化し、メ
サ界面の電界強度を下げ、その後、この高濃度空乏層終
端層１８′に達すると、終端する。さらに高抵抗層１
７′には上述したようにバンドギャップが広いＩｎＡｌ
Ａｓ層を用いているので、耐圧が高く、メサ界面での電
界印加による暗電流の増加などの劣化現象を抑圧してい
る。これらの作用により、経時的な特性劣化の少ないメ
サ型構造ＡＰＤを実現できる。
【００２１】（実施例２）図３は、本発明による半導体
受光素子の他の実施例による構成を示す断面図であり、
図１と同一部分には同一符号を付してある。図３におい
ては、メサ型構造のメサ側面Ｓにパッシベーション膜と
してｎ- 型低濃度層１９′とｎ+ 型高濃度空乏層終端層
１８′とからなるエピタキシャル多重層が配設されてい
る。このエピタキシャル多重層は単結晶であり、かつ多
層構造からなり電界強度をコントロールしているので、
上記実施例１と同様の作用効果が得られる。さらに次の
作用が加わる。すなわち、上記実施例１では、図２に示
したようにドーピングしたＺｎと欠陥の複合体により高
抵抗化したＩｎＡｌＡｓ層を採用しているが、層中に欠
陥を有しているので、これを介した暗電流の増加が不可
避であるのに対してこの実施例では、低濃度層１９′を
採用しているので、この暗電流増加分が除去できる。こ
れにより、実施例１の作用効果に加えて低暗電流特性が
実現できる。
受光素子の他の実施例による構成を示す断面図であり、
図１と同一部分には同一符号を付してある。図３におい
ては、メサ型構造のメサ側面Ｓにパッシベーション膜と
してｎ- 型低濃度層１９′とｎ+ 型高濃度空乏層終端層
１８′とからなるエピタキシャル多重層が配設されてい
る。このエピタキシャル多重層は単結晶であり、かつ多
層構造からなり電界強度をコントロールしているので、
上記実施例１と同様の作用効果が得られる。さらに次の
作用が加わる。すなわち、上記実施例１では、図２に示
したようにドーピングしたＺｎと欠陥の複合体により高
抵抗化したＩｎＡｌＡｓ層を採用しているが、層中に欠
陥を有しているので、これを介した暗電流の増加が不可
避であるのに対してこの実施例では、低濃度層１９′を
採用しているので、この暗電流増加分が除去できる。こ
れにより、実施例１の作用効果に加えて低暗電流特性が
実現できる。
【００２２】以下、図面を用いて本発明の実施例による
具体例を説明する。 （具体例１）図４は、本発明による半導体受光素子の実
施例１の具体例を説明するＩｎＡｌＡｓ−ＡＰＤの構成
を示す断面図である。図４において、ｎ+ 型ＩｎＰ（１
００）基板１上には、厚さ０．３μｍのｎ+ 型ＩｎＰバ
ッファ層２（ｎ＝７×１０17ｃｍ-3），厚さ０．３μｍ
のｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓバッファ層３（ｎ＝７×１０17 ｃ
ｍ-3），厚さ０．２５μｍのノンドープｎ- 型ヘテロ周
期構造増倍層４，厚さ０．１μｍのｐ+ 型ＩｎＰ電界緩
和層５（ｐ＝５×１０17ｃｍ-3），厚さ０．９μｍのｐ
- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６，厚さ０．１μｍのｐ+ 型
ＩｎＰキャップ層７（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）および厚
さ０．２μｍのｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８（ｐ
＝５×１０18ｃｍ-3）がそれぞれ順次積層されて形成さ
れている。
具体例を説明する。 （具体例１）図４は、本発明による半導体受光素子の実
施例１の具体例を説明するＩｎＡｌＡｓ−ＡＰＤの構成
を示す断面図である。図４において、ｎ+ 型ＩｎＰ（１
００）基板１上には、厚さ０．３μｍのｎ+ 型ＩｎＰバ
ッファ層２（ｎ＝７×１０17ｃｍ-3），厚さ０．３μｍ
のｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓバッファ層３（ｎ＝７×１０17 ｃ
ｍ-3），厚さ０．２５μｍのノンドープｎ- 型ヘテロ周
期構造増倍層４，厚さ０．１μｍのｐ+ 型ＩｎＰ電界緩
和層５（ｐ＝５×１０17ｃｍ-3），厚さ０．９μｍのｐ
- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６，厚さ０．１μｍのｐ+ 型
ＩｎＰキャップ層７（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）および厚
さ０．２μｍのｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８（ｐ
＝５×１０18ｃｍ-3）がそれぞれ順次積層されて形成さ
れている。
【００２３】ここで、上述したヘテロ周期構造増倍層４
は、厚さ１２０Åのｎ- 型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ増倍障
壁層１５と厚さ８０Åのｎ- 型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.23Ｇａ
0.27Ａｓ増倍井戸層１６とが多層に積層されて構成され
ている。また、ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８の表
面には、反射防止膜としてＳｉＮX 膜２３が１５００Å
の厚さに堆積され、ウェットエッチングによりメサ型構
造が形成されている。また、このメサ型構造のメサ側面
Ｓには、エピタキシャル成長法により厚さ２μｍの高抵
抗ＩｎＡｌＡｓ層１７と、厚さ０．３μｍのｎ+ 型Ｉｎ
ＡｌＡｓ空乏層終端層１８とからなるエピタキシャル多
重層が形成されている。さらにｎ型オーミック電極１０
として厚さ１５００ÅのＡｕＧｅ／Ｎｉと、厚さ５００
ÅのＴｉＰｔＡｕとが堆積されて形成され、ｐ側オーミ
ック電極１１として厚さ１５００ÅのＡｕＺｎが堆積さ
れて素子構造が完成される。
は、厚さ１２０Åのｎ- 型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ増倍障
壁層１５と厚さ８０Åのｎ- 型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.23Ｇａ
0.27Ａｓ増倍井戸層１６とが多層に積層されて構成され
ている。また、ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８の表
面には、反射防止膜としてＳｉＮX 膜２３が１５００Å
の厚さに堆積され、ウェットエッチングによりメサ型構
造が形成されている。また、このメサ型構造のメサ側面
Ｓには、エピタキシャル成長法により厚さ２μｍの高抵
抗ＩｎＡｌＡｓ層１７と、厚さ０．３μｍのｎ+ 型Ｉｎ
ＡｌＡｓ空乏層終端層１８とからなるエピタキシャル多
重層が形成されている。さらにｎ型オーミック電極１０
として厚さ１５００ÅのＡｕＧｅ／Ｎｉと、厚さ５００
ÅのＴｉＰｔＡｕとが堆積されて形成され、ｐ側オーミ
ック電極１１として厚さ１５００ÅのＡｕＺｎが堆積さ
れて素子構造が完成される。
【００２４】このような構成によれば、メサ型構造のメ
サ側面Ｓに空乏層を伸ばし、メサ側面Ｓの電界強度を下
げる高抵抗ＩｎＡｌＡｓ層１７と、空乏層を終端させる
高濃度ｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ空乏層終端層１８とからなる
エピタキシャル多重層のパッシベーション膜を設けたこ
とにより、メサ界面のダングリングボンドの除去および
印加電界のコントロールにより、ＡＰＤ特性の経時変化
が少なくなるので、寿命が約１０万時間以上で暗電流
０．５μＡ（増倍率２０において）の低雑音，高速応答
特性を有する高信頼性のアバランシェ増倍型半導体受光
素子が得られる。
サ側面Ｓに空乏層を伸ばし、メサ側面Ｓの電界強度を下
げる高抵抗ＩｎＡｌＡｓ層１７と、空乏層を終端させる
高濃度ｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ空乏層終端層１８とからなる
エピタキシャル多重層のパッシベーション膜を設けたこ
とにより、メサ界面のダングリングボンドの除去および
印加電界のコントロールにより、ＡＰＤ特性の経時変化
が少なくなるので、寿命が約１０万時間以上で暗電流
０．５μＡ（増倍率２０において）の低雑音，高速応答
特性を有する高信頼性のアバランシェ増倍型半導体受光
素子が得られる。
【００２５】なお、前述した高抵抗ＩｎＡｌＡｓ層１７
およびｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ空乏層終端層１８は、ＩｎＰ
またはＩｎＧａＡｓＰなどの組成であっても問題はな
い。また、ｐ型半導体基板上に素子構造を形成した場
合、メサ側面に形成するエピタキシャルパッシベーショ
ン膜は、高抵抗ＩｎＡｌＡｓ層１７と、ｐ+ 型ＩｎＡｌ
Ａｓ空乏層終端層との構成になる。さらに本発明による
素子構造は、具体的にはＭＯＶＰＥ法，ＭＢＥ法，ガス
ソースＭＢＥ法などの成長技術により、作製することが
できる。
およびｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ空乏層終端層１８は、ＩｎＰ
またはＩｎＧａＡｓＰなどの組成であっても問題はな
い。また、ｐ型半導体基板上に素子構造を形成した場
合、メサ側面に形成するエピタキシャルパッシベーショ
ン膜は、高抵抗ＩｎＡｌＡｓ層１７と、ｐ+ 型ＩｎＡｌ
Ａｓ空乏層終端層との構成になる。さらに本発明による
素子構造は、具体的にはＭＯＶＰＥ法，ＭＢＥ法，ガス
ソースＭＢＥ法などの成長技術により、作製することが
できる。
【００２６】（具体例２）図５は、本発明による半導体
受光素子の実施例２の具体例による構成を説明するＩｎ
ＡｌＡｓ−ＡＰＤの断面図である。図５において、ｎ+
型ＩｎＰ（１００）基板１上には、厚さ０．３μｍのｎ
+ 型ＩｎＰバッファ層２（ｎ＝７×１０17ｃｍ-3），厚
さ０．３μｍのｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓバッファ層３（ｎ＝
７×１０17ｃｍ-3），厚さ０．２５μｍのノンドープｎ
- 型ヘテロ周期構造増倍層４，厚さ０．１μｍのｐ+ 型
ＩｎＰ電界緩和層５（ｐ＝５×１０17ｃｍ-3），厚さ
０．９μｍのｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６（ｐ＝８×
１０15ｃｍ-3），厚さ０．１μｍのｐ+ 型ＩｎＰキャッ
プ層７（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）および厚さ０．２μｍ
のｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８（ｐ＝５×１０18
ｃｍ-3）がそれぞれ順次積層されて形成されている。
受光素子の実施例２の具体例による構成を説明するＩｎ
ＡｌＡｓ−ＡＰＤの断面図である。図５において、ｎ+
型ＩｎＰ（１００）基板１上には、厚さ０．３μｍのｎ
+ 型ＩｎＰバッファ層２（ｎ＝７×１０17ｃｍ-3），厚
さ０．３μｍのｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓバッファ層３（ｎ＝
７×１０17ｃｍ-3），厚さ０．２５μｍのノンドープｎ
- 型ヘテロ周期構造増倍層４，厚さ０．１μｍのｐ+ 型
ＩｎＰ電界緩和層５（ｐ＝５×１０17ｃｍ-3），厚さ
０．９μｍのｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６（ｐ＝８×
１０15ｃｍ-3），厚さ０．１μｍのｐ+ 型ＩｎＰキャッ
プ層７（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）および厚さ０．２μｍ
のｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８（ｐ＝５×１０18
ｃｍ-3）がそれぞれ順次積層されて形成されている。
【００２７】ここで、上述したヘテロ周期構造増倍層４
は、厚さ１２０Åのｎ- 型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ増倍障
壁層１５と厚さ８０Åのｎ- 型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.23Ｇａ
0.27Ａｓ増倍井戸層１６とが交互に多層に積層されて構
成されている。また、ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８の表面には、反射防止膜として厚さ１５００ÅのＳｉ
ＮX 膜２３が堆積され、ウェットエッチングによりメサ
型構造が形成されている。また、メサ型構造のメサ側面
Ｓには、エピタキシャル成長法により厚さ２μｍのｎ-
型ＩｎＡｌＡｓ層１９と、厚さ０．３μｍのｎ+ 型Ｉｎ
ＡｌＡｓ空乏層終端層１８とからなるエピタキシャル多
重層が形成されている。さらにｎ型オーミック電極１０
として厚さ１５００ÅのＡｕＧｅ／Ｎｉと、厚さ５００
ÅのＴｉＰｔＡｕとが堆積されて形成され、ｐ側オーミ
ック電極１１として厚さ１５００ÅのＡｕＺｎが堆積さ
れて素子構造が完成される。
は、厚さ１２０Åのｎ- 型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ増倍障
壁層１５と厚さ８０Åのｎ- 型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.23Ｇａ
0.27Ａｓ増倍井戸層１６とが交互に多層に積層されて構
成されている。また、ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８の表面には、反射防止膜として厚さ１５００ÅのＳｉ
ＮX 膜２３が堆積され、ウェットエッチングによりメサ
型構造が形成されている。また、メサ型構造のメサ側面
Ｓには、エピタキシャル成長法により厚さ２μｍのｎ-
型ＩｎＡｌＡｓ層１９と、厚さ０．３μｍのｎ+ 型Ｉｎ
ＡｌＡｓ空乏層終端層１８とからなるエピタキシャル多
重層が形成されている。さらにｎ型オーミック電極１０
として厚さ１５００ÅのＡｕＧｅ／Ｎｉと、厚さ５００
ÅのＴｉＰｔＡｕとが堆積されて形成され、ｐ側オーミ
ック電極１１として厚さ１５００ÅのＡｕＺｎが堆積さ
れて素子構造が完成される。
【００２８】このような構成によれば、メサ型構造のメ
サ側面Ｓに空乏層を伸ばし、メサ側面Ｓの電界強度を下
げ、暗電流増加分を除去する低濃度ｎ- 型ＩｎＡｌＡｓ
層１９と、空乏層を終端させる高濃度ｎ+ 型ＩｎＡｌＡ
ｓ空乏層終端層１８とからなるエピタキシャル多重層の
パッシベーション膜を設けたことにより、メサ界面のダ
ングリングボンドの除去および印加電界のコントロール
により、ＡＰＤ特性の経時変化が少なくなるので、寿命
１０万時間以上で暗電流０．２μＡ（増倍率２０におい
て）の低雑音，高速応答特性を有するアバランシェ増倍
型半導体受光素子が実現できる。
サ側面Ｓに空乏層を伸ばし、メサ側面Ｓの電界強度を下
げ、暗電流増加分を除去する低濃度ｎ- 型ＩｎＡｌＡｓ
層１９と、空乏層を終端させる高濃度ｎ+ 型ＩｎＡｌＡ
ｓ空乏層終端層１８とからなるエピタキシャル多重層の
パッシベーション膜を設けたことにより、メサ界面のダ
ングリングボンドの除去および印加電界のコントロール
により、ＡＰＤ特性の経時変化が少なくなるので、寿命
１０万時間以上で暗電流０．２μＡ（増倍率２０におい
て）の低雑音，高速応答特性を有するアバランシェ増倍
型半導体受光素子が実現できる。
【００２９】なお、前述した高抵抗ＩｎＡｌＡｓ層１９
およびｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ空乏層終端層１８は、ＩｎＰ
またはＩｎＧａＡｓＰなどの組成であっても問題はな
い。また、ｐ型半導体基板上に素子構造を形成した場
合、メサ側面に形成するエピタキシャルパッシベーショ
ン膜は、ｐ- 型ＩｎＡｌＡｓ層１９とｐ+ 型ＩｎＡｌＡ
ｓ空乏層終端層との構成になる。さらに本発明による素
子構造は、具体的にはＭＯＶＰＥ法，ＭＢＥ法，ガスソ
ースＭＢＥ法などの成長技術により、作製することがで
きる。
およびｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ空乏層終端層１８は、ＩｎＰ
またはＩｎＧａＡｓＰなどの組成であっても問題はな
い。また、ｐ型半導体基板上に素子構造を形成した場
合、メサ側面に形成するエピタキシャルパッシベーショ
ン膜は、ｐ- 型ＩｎＡｌＡｓ層１９とｐ+ 型ＩｎＡｌＡ
ｓ空乏層終端層との構成になる。さらに本発明による素
子構造は、具体的にはＭＯＶＰＥ法，ＭＢＥ法，ガスソ
ースＭＢＥ法などの成長技術により、作製することがで
きる。
【００３０】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
長距離光通信に使用される１μｍ帯の半導体受光素子に
おいて、高感度，高速特性を有し、かつ高信頼性が得ら
れるという極めて優れた効果が得られる。
長距離光通信に使用される１μｍ帯の半導体受光素子に
おいて、高感度，高速特性を有し、かつ高信頼性が得ら
れるという極めて優れた効果が得られる。
【図１】 本発明による半導体受光素子の一実施例によ
る構成を示すＩｎＡｌＡｓ−ＡＰＤの断面図である。
る構成を示すＩｎＡｌＡｓ−ＡＰＤの断面図である。
【図２】 本発明による半導体受光素子のＺｎドーピン
グＩｎＡｌＡｓ膜の正孔濃度のV/III 比依存性を示す図
である。
グＩｎＡｌＡｓ膜の正孔濃度のV/III 比依存性を示す図
である。
【図３】 本発明による他の半導体受光素子の他の実施
例による構成を示すＩｎＡｌＡｓ−ＡＰＤの断面図であ
る。
例による構成を示すＩｎＡｌＡｓ−ＡＰＤの断面図であ
る。
【図４】 本発明による半導体受光素子の一具体例によ
る構成を示す断面図である。
る構成を示す断面図である。
【図５】 本発明による半導体受光素子の他の具体例に
よる構成を示す断面図である。
よる構成を示す断面図である。
【図６】 従来のＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤの構成を示す断
面図である。
面図である。
【図７】 従来の超格子ＡＰＤの構成を示す断面図であ
る。
る。
１…ＩｎＰ（１００）基板、２…ｎ+型ＩｎＰバッファ
層、３…ｎ+型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、４…ノンドー
プｎ- 型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子増倍
層、５…ｐ+ 型ＩｎＰ電界緩和層、６…ｐ- 型ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層、７…ｐ+ 型ＩｎＰキャップ層、８…ｐ+
型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、９…ＳｉＮXパッシベー
ション膜、１０…ｎ型オーミック電極、１１…ｐ型オー
ミック電極、１２…入射光、１３…ｎ- 型ＩｎＧａＡｓ
光吸収層、１４…ｎ型ＩｎＰ増倍層、１５…ｎ-型Ｉｎ
0.52Ａｌ0.48Ａｓ増倍障壁層、１６…ｎ-型Ｉｎ0.5Ａｌ
0.23 Ｇａ0.27Ａｓ増倍井戸層、１７…高抵抗ＩｎＡｌ
Ａｓ層、１８，１８′…ｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ空乏層終端
層、１９，１９′…ｐ- 型ＩｎＡｌＡｓ層、２０…ｎ型
ＩｎＰキャップ層、２１…ｐ+ 型受光領域、２２…ｐ-
型ガードリング領域、２３…ＳｉＮX 反射防止膜、Ｓ…
メサ側面。
層、３…ｎ+型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、４…ノンドー
プｎ- 型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子増倍
層、５…ｐ+ 型ＩｎＰ電界緩和層、６…ｐ- 型ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層、７…ｐ+ 型ＩｎＰキャップ層、８…ｐ+
型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、９…ＳｉＮXパッシベー
ション膜、１０…ｎ型オーミック電極、１１…ｐ型オー
ミック電極、１２…入射光、１３…ｎ- 型ＩｎＧａＡｓ
光吸収層、１４…ｎ型ＩｎＰ増倍層、１５…ｎ-型Ｉｎ
0.52Ａｌ0.48Ａｓ増倍障壁層、１６…ｎ-型Ｉｎ0.5Ａｌ
0.23 Ｇａ0.27Ａｓ増倍井戸層、１７…高抵抗ＩｎＡｌ
Ａｓ層、１８，１８′…ｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ空乏層終端
層、１９，１９′…ｐ- 型ＩｎＡｌＡｓ層、２０…ｎ型
ＩｎＰキャップ層、２１…ｐ+ 型受光領域、２２…ｐ-
型ガードリング領域、２３…ＳｉＮX 反射防止膜、Ｓ…
メサ側面。
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体基板上に少なくとも光吸収層およ
び増倍層を積層形成してなるメサ型構造を有する半導体
受光素子において、 前記メサ型構造のメサ側面に単結晶の高抵抗層と、前記
半導体基板と同一導電型の高濃度層とからなるエピタキ
シャル多重層を設け、前記高抵抗層は所定の電圧が印加
されたときに負記メサ側面と前記高抵抗層との界面より
のびる空乏層が前記高濃度層に到達する程度の厚さに形
成されていることを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項２】 半導体基板上に少なくとも光吸収層およ
び増倍層を積層形成してなるメサ型構造を有する半導体
受光素子において、 前記メサ型構造のメサ側面に半導体基板と同一導電型の
単結晶の低濃度層と、高濃度層とからなるエピタキシャ
ル多重層を設け、前記低濃度抗層は所定の電圧が印加さ
れたときに前記メサ側面と前記低濃度層との界面よりの
びる空乏層が前記高濃度層に到達する程度の厚さに形成
されていることを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6306200A JP2751846B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6306200A JP2751846B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08162663A JPH08162663A (ja) | 1996-06-21 |
| JP2751846B2 true JP2751846B2 (ja) | 1998-05-18 |
Family
ID=17954211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6306200A Expired - Fee Related JP2751846B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2751846B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4136009B2 (ja) * | 1995-02-02 | 2008-08-20 | 住友電気工業株式会社 | ｐｉｎ型受光素子、およびｐｉｎ型受光素子の製造方法 |
| WO2009081585A1 (ja) * | 2007-12-26 | 2009-07-02 | Nec Corporation | 半導体受光素子 |
| JP4719763B2 (ja) * | 2008-03-28 | 2011-07-06 | 日本オプネクスト株式会社 | 受信器の製造方法 |
| JP2011035114A (ja) * | 2009-07-31 | 2011-02-17 | Renesas Electronics Corp | メサ型フォトダイオード及びその製造方法 |
| JP5519442B2 (ja) * | 2010-08-11 | 2014-06-11 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JP7302775B2 (ja) * | 2020-03-02 | 2023-07-04 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 半導体受光素子 |
| JP7294572B2 (ja) * | 2020-03-02 | 2023-06-20 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 光導波路型受光素子 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01149486A (ja) * | 1987-12-04 | 1989-06-12 | Fujitsu Ltd | 半導体受光素子 |
| JPH06232442A (ja) * | 1993-02-04 | 1994-08-19 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| JP2894910B2 (ja) * | 1993-02-04 | 1999-05-24 | 日本電気株式会社 | 超格子アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法 |
-
1994
- 1994-12-09 JP JP6306200A patent/JP2751846B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08162663A (ja) | 1996-06-21 |
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