JP2763352B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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Description

【発明の詳細な説明】 [概要] 化合物半導体を用いた半導体受光素子に関し、 反応速度を上げるためにn−InP増倍層の濃度を上げ
ても十分なガードリング耐圧を確保することができる半
導体受光素子を提供することを目的とし、 第1導電型の半導体基板上に、第1の禁制帯幅を有す
る第1導電型の第1化合物半導体層と、前記第1の禁制
帯幅より大きい第2の禁制帯幅を有する第1導電型の第
2化合物半導体層とが形成され、前記第2化合物半導体
層中に第2導電型の受光領域が形成され、この受光領域
の周囲に第2導電型のガードリングが形成された半導体
受光素子において、前記第2化合物半導体層は、不純物
濃度の低い第1の層と、不純物濃度の高い増倍層として
の第2の層と、不純物濃度の低い第3の層により構成さ
れ、前記受光領域は、前記第2の層と前記第3の層の界
面近傍に達する深さまで形成され、前記ガードリング
は、前記第1の層と前記第2の層の界面近傍に達する深
さまで形成されるように構成する。
[産業上の利用分野] 本発明は化合物半導体を用いた半導体受光素子に関す
る。
半導体受光素子は、光ファイバを用いた光通信システ
ムにおいて用いられているが、近年の光通信システムの
高度化に伴い、InP、InGaAs等の化合物半導体を材料と
して用いた半導体受光素子が重要視されている。特に、
受光感度のすぐれたInGaAsのAPD(Avalanche Photo−Di
ode)は、光通信システムにおける長距離幹線システム
における受光素子として注目されている。これらの化合
物半導体のAPDでは、APDとして動作するために重要な役
割を果たすガードリングの形成が難しく、素子特性の向
上及び製造歩留りの向上のためにすぐれた構造のガード
リングが要求されている。
[従来の技術] 化合物半導体を用いた従来のAPDを第5図及び第6図
に示す。
第5図のAPDにおいては、n+−InP基板1上にn−InGa
As光吸収層2が形成され、このn−InGaAs光吸収層2上
にn−InGaAsP中間層3を介して濃度の異なるn−InP増
倍層4及びn-−InP層5が形成されている。このn-−InP
層5の中央には受光領域であるp+−InP領域6が形成さ
れ、このp+−InP領域6を取り囲むようにガードリング
7が形成されている。ガードリング7は中央の受光領域
のpn接合で必ずアバランシェ増倍が生ずるようにするた
めに設けられている。n-−InP層5上にはSiN膜のパッシ
ベーション膜8を介して、p+−InP領域6周囲にコンタ
クトするp電極9が形成されている。n電極10はn+−In
P基板1下面に形成されている。
このAPDではn−InP増倍層4上のn-−InP層5の濃度
を低下させて空乏層が横方向に広がり易くすることによ
り、ガードリング7周辺の接合の湾曲による電界の集中
を緩和し、ガードリング7の耐圧を上げてp+−InP領域
6との耐圧差が得られるようにしている。
第6図に示すAPDでは、ガードリング7周辺に、ガー
ドリング7より浅い第2ガードリング11を更に形成する
ことにより、ガードリング7周辺における電界集中をよ
り一層緩和するように工夫している。
[発明が解決しようとする課題] 一般に、APDの応答速度を上げるためには、n−InP増
倍層4の不純物濃度を上げる必要がある。しかしなが
ら、n−InP増倍層4の不純物濃度を上げるとガードリ
ング7の耐圧が低くなり、p+−InP領域6との十分な耐
圧差が確保できなくなるという問題があった。例えば、
n−InP増倍層4の不純物濃度を5×1016cm-3にする
と、ガードリング7の耐圧は50〜60Vに低下し、受光領
域であるp+−InP領域6の耐圧(約60V)との差がなくな
り、APDとして動作しなくなった。
本発明の目的は、応答速度を上げるためにn−InP増
倍層の濃度を上げても十分なガードリング耐圧を確保す
ることができる半導体受光素子を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 上記目的は、第1導電型の半導体基板上に、第1の禁
制帯幅を有する第1導電型の第1化合物半導体層と、前
記第1の禁制帯幅より大きい第2の禁制帯幅を有する第
1導電型の第2化合物半導体層とが形成され、前記第2
化合物半導体層中に第2導電型の受光領域が形成され、
この受光領域の周囲に第2導電型のガードリングが形成
された半導体受光素子において、前記第2化合物半導体
層は、不純物濃度の低い第1の層と、不純物濃度の高い
増倍層としての第2の層と、不純物濃度の低い第3の層
により構成され、前記受光領域は、前記第2の層と前記
第3の層の界面近傍に達する深さまで形成され、前記ガ
ードリングは、前記第1の層と前記第2の層の界面近傍
に達する深さまで形成されていることを特徴とする半導
体受光素子によって達成される。
[作用] 本発明によれば、第2化合物半導体層が不純物濃度の
低い第1の層と不純物濃度の高い第2の層と不純物濃度
の低い第3の層により構成され、ガードリング層は第3
の層と第2の層を突抜けて第1の層と第2の層の界面近
傍に達する深さまで形成されているので、第2の層の不
純物濃度が高くなってもガードリング層の耐圧が低くな
ることなく、受光領域との十分な耐圧差を確保できる。
[実施例] 本発明の第1の実施例によるAPDを第1図を用いて説
明する。第5図に示す従来のAPDと同一の構成要素には
同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
n+−InP基板1上に、5×1015cm-3の不純物濃度で厚
さ2μmのn−InGaAs光吸収層2が形成され、このn−
InGaAs光吸収層2上に、5×1015cm-3の不純物濃度で厚
さ0.3μmのn−InGaAsP中間層3が形成されている。
n−InGaAsP中間層3上には、不純物濃度の異なる3
層構造のInP層12、4、5が形成されている。すなわ
ち、n−InGaAsP中間層3上には、不純物濃度の低い
(5×1015cm-3)厚さ0.5μmのn-−InP層12が形成さ
れ、このn-−InP層12上に、不純物濃度が高い(5×10
16cm-3)厚さ0.5μmのn−InP増倍層4が形成され、更
に、このn−InP増倍層4上に、不純物濃度の低い(5
×1015cm-3)厚さ1μmのn-−InP層5が形成されてい
る。
n-−InP層5の中央には、Cdの拡散により受光領域で
あるp+−InP領域6(不純物濃度= ×10 cm-3)が、n
-−InP層5とn−InP増倍層4の界面近傍に達するまで
形成されている。
p+−InP領域6周囲に形成されたBeをイオン注入した
ガードリング7(不純物濃度= ×10 cm-3)は、n-
InP層5及びn−InP増倍層4を突抜けて、n−InP増倍
層4とn-−InP層12の界面近傍に達するまで深く形成さ
れている。
第2図にガードリング7の深さと耐圧の関係を示す。
n−InP増倍層4とn-−InP層12の界面からガードリング
7の下面までの距離d[μm]を横軸にとり、ガードリ
ング7の耐圧[V]を縦軸にとる。第2図から明らかな
ように、ガードリング7を深く形成するほど耐圧が高く
なることがわかる。例えば、距離dを0.2μm以下にす
れば、ガードリング7の耐圧は70V以上と、p+−InP領域
6の耐圧(約60V)より高くなる。
本実施例のようにガードリング7を深く形成すれば、
n−InP増倍層4の不純物濃度を高くしてもガードリン
グ7が十分高い耐圧となる。
なお、本実施例では、n−InGaAsP中間層3上に不純
物濃度の低いn-−InP層12を挿入することにより、深い
ガードリング7によりヘテロ界面の電界が高くなりトン
ネル電流が発生することを防止している。
次に、本実施例によるAPDの製造方法を第3図を用い
て説明する。
まず、n+−InP基板1上に、n−InGaAs光吸収層2
(不純物濃度:5×1015cm-3、厚さ:2μm)、n−InGaAs
P中間層3(不純物濃度:5×1015cm-3、厚さ:0.3μ
m)、n-−InP層12(不純物濃度:5×1015cm-3、厚さ:0.
5μm)、n−InP増倍層4(不純物濃度:5×1016cm-3
厚さ:0.5μm)及びn-−InP層5(不純物濃度:5×1015c
m-3、厚さ:1μm)を順次エピタキシャル成長させる
(第3図(a))。
次に、イオン注入エネルギーが150eV、ドーズ量が5
×1013cm-2の条件でBeを選択的にイオン注入し、その後
750℃で約30分間アニールする。すると、約1.5μm深さ
のガードリング7が形成され、ガードリング7の下面が
n−InP増倍層4とn-−InP層12の界面近傍まで達する
(第3図(b))。
次に、n-−InP層5の受光領域に、プラズマCVD法によ
り形成したSiN膜(図示せず)を選択マスクとして用い
て、不純物であるCdを熱拡散することにより受光領域の
pn接合を形成する。例えば、約550℃で約20分間Cdを拡
散する。すると、約1μm深さのp+−InP領域6が形成
され、p+−InP領域6の下面がn-−InP層5とn−InP増
倍層4の界面近傍まで達する(第3図(c))。
次に、表面保護のためにSiN膜のパッシベーション膜
8を形成する。続いて、p+−InP領域6周囲上のパッシ
ベーション膜8をエッチング除去し、パッシベーション
膜8上にp+−InP領域6とコンタクトするp電極9を形
成する。次に、n+−InP基板1下面にn電極10を形成し
て、APDを完成する(第3図(c))。
次に、本発明の第2の実施例によるAPDを第4図を用
いて説明する。第1図に示すAPDと同一の構成要素には
同一の符号を付して説明を省略する。
本実施例は、第1図のAPDのガードリング7周辺に、
第6図のAPDと同様に、ガードリング7周囲に第2ガー
ドリング11を更に形成したものである。第2ガードリン
グ11を形成することにより、ガードリング7周辺におけ
る電界集中を緩和することができる。
本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能であ
る。
例えば、上記実施例ではn型基板上にn型光吸収層と
n型増倍層を形成し、n型増倍層中にp型受光領域を形
成したが、これら実施例と導電型を反対にしても同様の
ガードリング作用が得られる。
[発明の効果] 以上の通り、本発明によれば、応答速度を上げるため
にn−InP増倍層の濃度を上げても十分なガードリング
耐圧を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例によるAPDの断面図、 第2図はAPDにおけるガードリングの深さと耐圧の関係
を示すグラフ、 第3図は本発明の第1の実施例によるAPDの製造方法を
示す工程図、 第4図は本発明の第2の実施例によるAPDの断面図、 第5図、第6図は従来のAPDの断面図である。 図において、 1……n+−InP基板 2……n−InGaAs光吸収層 3……n−InGaAsP中間層 4……n−InP増倍層 5……n-−InP層 6……p+−InP領域 7……ガードリング 8……パッシベーション膜 9……p電極 10……n電極 11……第2ガードリング 12……n-−InP層

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の半導体基板上に、第1の禁制
    帯幅を有する第1導電型の第1化合物半導体層と、前記
    第1の禁制帯幅より大きい第2の禁制帯幅を有する第1
    導電型の第2化合物半導体層とが形成され、前記第2化
    合物半導体層中に第2導電型の受光領域が形成され、こ
    の受光領域の周囲に第2導電型のガードリングが形成さ
    れた半導体受光素子において、 前記第2化合物半導体層は、不純物濃度の低い第1の層
    と、不純物濃度の高い増倍層としての第2の層と、不純
    物濃度の低い第3の層により構成され、 前記受光領域は、前記第2の層と前記第3の層の界面近
    傍に達する深さまで形成され、 前記ガードリングは、前記第1の層と前記第2の層の界
    面近傍に達する深さまで形成されていることを特徴とす
    る半導体受光素子。
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