JP3688952B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ集積化受光回路及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は特に超高速光通信フォトレシーバへの適用を目的とし、有効な内部量子効率とCR時定数を確保しつつ優れた周波数応答と飽和出力特性を有するフォトダイオードと信頼性、高周波特性、歩留まり、面内均一性、再現性、信頼性に優れたヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)との集積化受光回路及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
HBTは、エミッタにベースよりもバンドギャップの大きな半導体材料を用いることにより、ベース層の不純物濃度を高くしてもエミッタ注入効率を低下させることなく高い電流利得が得られること、このためベース抵抗が低く抑えられること等、トランジスタの高性能化に有利な特徴を多く有している。特に、III-V族化合物半導体を用いると、その優れた電子輸送特性、材料の選択によりヘテロ構造の組み合わせが拡がること、電子デバイスのみならず光デバイスとの融合も可能であること等利点が増大する。更に、この中でGaAsよりも熱伝導率の高い半絶縁性InP基板に格子整合したInP/InGaAsヘテロ構造は、選択ウェットエッチングによりInGaAsベース層の面出しが容易である、InGaAsベース層の表面再結合電流がGaAsに較べ低いためサイズ効果が少なく高い電流利得を有する微細寸法素子が容易に実現できる、ターンオン電圧が低い、InGaAsの電子移動度が高い等優れた特徴を有し、また、ターンオン電圧のウェハー面内均一性に優れる、相互コンダクタンス(gm)が高い等、超高速・低消費電力用集積回路として高いポテンシャルを有する。
【0003】
これらInP/InGaAs HBTのコレクタ層構造はアンドープInGaAs、あるいはアンドープInGaAs、n形InP及びn形InGaAsPの4元混晶で構成されることからHBT構造におけるベース層(高濃度p形InGaAs)、コレクタ層、コレクタコンタクト層(高濃度p形InP)をもってInGaAsを光吸収層とする長波長帯(1.5μm帯)の広帯域ダブルヘテロ構造pinフォトダイオードを形成することができ、HBTとpinフォトダイオードを同一エピ結晶基板を用いて集積化受光回路を製作することが可能になる。しかしながら、HBTのコレクタ層構造とpinフォトダイオード吸収層とでは最適な層構造が異なり、HBTの高速化に適した層構造とすると、従来のpinフォトダイオードでは吸収層が薄くなりCR時定数(Cはダイオードの接合容量、Rは素子寄生抵抗+線路特性インピーダンス)が増大する。
【0004】
最近、従来型pinフォトダイオードの周波数応答特性及び飽和出力特性を改善した単一走行キャリア(uni−traveling−carrier photodiode)フォトダイオード(UTC−PD)が提案された[特開平9−275224号公報、及び文献T.Ishibashi et al.,OSA TOPS on Ultrafast Elecronics and Optoelectronics,1997]。上記UTC−PDの特徴は、従来のpinフォトダイオードでは光吸収層とキャリア走行層は同一の空乏化した半導体層(InGaAs)を用いるのに対し、キャリアの発生と走行を分離できる構造を有している点である。これにより走行速度の大きなキャリア(電子)のみを使用することができるので、応答速度が速く、出力振幅特性に優れたフォトダイオードが実現できる効果がある。このUTC−PDの概念図(バンドダイアグラム図)[特開平9−275224号公報]に従うと、UTC−PDは、半絶縁性基板上に順次エピ成長したn形電極層、キャリア走行層、p形キャリア光吸収層、p形キャリアブロック層から構成されている。光吸収層はバイアス状態で空乏化しないように、一定以上のドーピング濃度(2.5×1017から2.5×1018cm-3の範囲内)とし、InPキャリア走行層は空乏化させるべく低いドーピング濃度に設定する。また、図3にはEriksson等により報告されたInP/InGaAs HBT構造に整合したUTC−PDのエピ層構造を示す[U.Eriksson,et al.,Electronics Letters.12th November 1998 Vol.34,No.23,pp.2270−2271]。
【0005】
HBT層構造をUTC−PD構造と集積化する際に問題となるのは、HBT構造におけるp形InGaAsベース層厚(ドーピング濃度4×1019cm-3程度)が40nmと光吸収層として機能するには層厚が薄いことである。このベース層の厚さはHBT素子特性である電流利得あるいは電流利得遮断周波数fT を増加させるためには50nm程度の薄層化は不可欠である。一方、pinフォトダイオードの吸収層厚はキャリア走行時間とCR時定数や内部量子効率とのトレードオフで決まるものの、200nm以上は要求される。このためHBTのコレクタ層の一部を構成する比較的厚いアンドープInGaAsに外部からp形不純物を導入することによりp形光吸収層を形成する方法が提案された[前出、U.Eriksson,et al.,Electronics Letters.12th November 1998 Vol.34,No.23,pp.2270−2271]。この場合、外部からのp形不純物導入はUTC−PDに該当する平面領域のみであり、HBT素子部に該当する平面領域はマスクしなければならない。前出のU.Eriksson等は、プロセス中外部から導入するp形不純物として拡散係数の大きな亜鉛拡散法を用いて、コレクタ層中のアンドープInGaAsの一部をp形導電層に変換させている。しかし、亜鉛拡散法を用いてp形不純物をInGaAs層中に導入する場合問題となるのは、亜鉛拡散ドーピングの濃度がUTC−PDに要求されるレベルよりも高く、更にプロファイルの深さ方向の制御性に乏しい点である。また、亜鉛拡散マスクとしてプラズマCVDあるいはスパッタ法等で成膜するシリコン酸化膜(SiO2 )あるいはシリコン窒化膜(SiN)を用いる必要が生じる。この成膜時にダメージを誘起する無機絶縁膜はHBT素子部、特にエミッタ/ベース接合特性を劣化させる可能性があることも大きな問題となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
同一エピ結晶を用いて、超高速・低消費電力集積回路として有望なInP/InGaAs HBTと、応答速度が速く、出力飽和特性に優れた単一走行キャリアフォトダイオード(UTC−PD)とを集積させるプロセスにおいて、UTC−PDの光吸収層をInGaAs層中に形成する場合、HBT層構造ではコレクタ層の一部に相当するアンドープInGaAs層に対し外部からp形不純物を導入することによりp形InGaAs層に変換させる必要がある。従来例では、亜鉛拡散法を用いてコレクタの一部に相当するアンドープInGaAs層にp形不純物を導入する方策が提案されている。しかし、この亜鉛拡散法をフォトダイオード領域にのみ行うためには、プラズマCVDやスパッタ法で堆積させたシリコン酸化膜(SiO2 )あるいはシリコン窒化膜(SiN)等を拡散マスクとして用いるが、HBT素子部、特にまだパシベーション膜で保護されていないInP/InGaAsエミッタ/ベース接合に対してこれら無機絶縁膜を堆積すると、応力あるいは膜堆積時の半導体界面に与える損傷等の影響で、接合特性すなわちトランジスタ特性が劣化する危険性が生じる。これに加えて、一般に亜鉛拡散法でp形不純物を導入する場合、その深さ方向のドーピングプロファイルは制御性に乏しい。これは、UTC−PDにおいて最適なp形InGaAs吸収層を設計するのに支障をきたすことになる。
【0007】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、有効な内部量子効率とCR時定数を確保しつつ優れた周波数応答と飽和出力特性を有するUTC−PDと信頼性、高周波特性、歩留まり、面内均一性、再現性、信頼性に優れたHBTとの集積化受光回路を供給することができ、超高速光通信フォトレシーバに適用することが可能になるヘテロ接合バイポーラトランジスタ集積化受光回路及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタ集積化受光回路は、半絶縁性InP基板上に、n形InPコレクタコンタクト層、n形InGaAsP及びアンドープInGaAsからなるコレクタ層、p形炭素ドープInGaAs及びp形炭素ドープInGaAsPから成るベース層、n形InPエミッタ層、n形InPとn形InGaAsから成るエミッタコンタクト層で構成されるメサ型のヘテロ接合バイポーラトランジスタと、前記半絶縁性InP基板上に、前記コレクタコンタクト層に相当するn形電極層、前記コレクタ層の一部に相当するキャリア走行層、前記ベース層の一部に相当するp形光吸収層、前記コレクタ層の一部に相当するアンドープInGaAs層中にBeイオン注入により形成されるp形InGaAs光吸収層、前記ベース層の一部に相当するp形キャリアブロック層で構成される単一走行キャリアフォトダイオードとを含むことを特徴とするものである。
【0009】
また本発明は、半絶縁性InP基板上に、n形InPコレクタコンタクト層、n形InGaAsP及びアンドープInGaAsからなるコレクタ層、p形炭素ドープInGaAs及びp形炭素ドープInGaAsPから成るベース層、n形InPエミッタ層、n形InPとn形InGaAsから成るエミッタコンタクト層で構成されるメサ型のヘテロ接合バイポーラトランジスタと、前記半絶縁性InP基板上に、前記コレクタコンタクト層に相当するn形電極層、前記コレクタ層の一部に相当するキャリア走行層、前記ベース層の一部に相当するp形光吸収層、前記コレクタ層の一部に相当するp形光吸収層、前記ベース層の一部に相当するp形キャリアブロック層で構成される単一走行キャリアフォトダイオードとを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ集積化受光回路の製造方法において、前記単一走行キャリアフォトダイオードを構成する平面領域においてのみ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおけるコレクタ層の一部に相当するアンドープInGaAsにBeを多段エネルギーでイオン注入することにより、少なくとも上記アンドープInGaAsをキャリア濃度2.5×1017から2.5×1018cm−3の範囲内のp形InGaAs光吸収層に変える工程と、前記Beイオン注入後に実施される活性化アニールがヘテロ接合バイポーラトランジスタにおけるp形炭素ドープInGaAs及びp形炭素ドープInGaAsPから成るベース層のキャリア回復のために行われる脱水素アニールと同時に実施される工程とを有することを特徴とする。
【0010】
上記UTC−PDのp形InGaAs光吸収層をHBTコレクタの一部に相当するアンドープInGaAs層中に形成するために、深さ方向ドーピングプロファイルの制御性に優れたイオン注入を用いる。特に、500℃程度の低いアニール温度でも注入したイオンがほぼ完全に活性化しキャリア(ホール)となるベリリウム(Be)を用いたイオン注入法がInGaAs層中にp形不純物を導入するためには最適である。Beを多段エネルギーで注入することによりUTC−PDに要求される2.5×1017から2.5×1018cm-3の濃度に設定することができる。また、イオン注入法を用いるとHBT素子部をカバーするマスクとしてレジストの使用が可能となりトランジスタ特性の劣化が生じない利点がある。
【0011】
加えて、イオン注入したBeイオンを活性化させるためのアニール温度は、炭素ドープしたInGaAsベース層の脱水素化アニール温度に近いことから、MOCVD成長InP/InGaAs HBTプロセスと共通化することが可能となる。
【0012】
本発明により、有効な内部量子効率とCR時定数を確保しつつ優れた周波数応答と飽和出力特性を有するフォトダイオードと信頼性、高周波特性、歩留まり、面内均一性、再現性、信頼性に優れたHBTとの集積化受光回路を供給することができ、超高速光通信フォトレシーバに適用することが可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態例を詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明の一実施形態例に係る同一基板(半絶縁性InP基板)上に製作したメサ型のヘテロ接合のバイポーラトランジスタ(InP/InGaAs HBT)と単一走行キャリアフォトダイオード(UTC−PD)の断面構造概略図を示している。
【0015】
即ち、半絶縁性InP基板11上にはInP/InGaAs HBTとUTC−PDを含む集積化受光回路が形成される。前記InP/InGaAs HBTは、半絶縁性InP基板11上にn形InPが積層され、このコレクタコンタクト層9上にn形InGaAsP、アンドープInGaAsからなるコレクタ層8,7及びコレクタ電極10が積層され、前記コレクタ層7の上にp形炭素ドープInGaAs及びp形炭素ドープInGaAsPから成るベース層6,5が積層され、このベース層5上にn形InPエミッタ層3及びベース電極4が積層され、前記エミッタ層3の上にn形InPとn形InGaAsから成るエミッタコンタクト層2が積層され、このエミッタコンタクト層2の上にエミッタ電極1が積層されて構成される。また前記UTC−PDは、前記半絶縁性InP基板11上に前記コレクタコンタクト層9、前記コレクタ層8,7の一部に相当するキャリア走行層8′、前記コレクタ層8,7の一部と前記ベース層6、5の一部に相当するBeドープされているP形光吸収層12及びP形光吸収層6′、前記ベース層6,5の一部に相当するP形キャリアブロック層5′、前記コレクタコンタクト層9に相当するn形電極層9′、アノード電極4′、カソード電極10′より構成される。
【0016】
次に、本発明によるUTC−PDとInP/InGaAsHBTの集積化受光回路の製造方法を説明する。
【0017】
本実施形態例では、Feドープ半絶縁性InP基板上に減圧MOVPE(MOCVD)法によって、コレクタにオーミック性抵抗を形成するためのn形InPコレクタコンタクト層、n形InGaAsPとアンドープInGaAsから成るコレクタ層、高濃度炭素アクセプタ不純物をドーピングしたp形InGaAsとUTC−PDにおいてp形キャリアブロック層として働くp形InGaAsPから成るベース層、n形InPエミッタ層、エミッタにオーミック性抵抗を形成するためのn形InPとn形InGaAsから成るエミッタコンタクト層を順次エピタキシャル成長させたHBT積層構造を用いて作製した。エピ層構造を図2に示した。
【0018】
HBTに関してはエミッタ領域をレジストでマスクし、エミッタ領域以外をクエン酸/過酸化水素水/水あるいは硫酸/過酸化水素水/水による選択ウェットエッチングによりn形InGaAsエミッタコンタクト層を、また塩酸/リン酸による選択ウェットエッチングによりn形InPエミッタコンタクト層及びn形InPエミッタ層を除去し、p形炭素ドープInGaAsPベース層を露出させる。この時、UTC−PDに関してはマスク無しで全面n形InGaAs層、n形InP層を除去し、p形炭素ドープInGaAsPベース層を露出させる。エミッタ領域を規定していた上記レジストマスクは有機溶剤で除去する。
【0019】
次に、少なくともHBT素子部を含むUTC−PD以外の領域をレジストでマスクし、Beイオン注入を行う。具体的には加速電圧25keV,50kev,75kevから成る3段Beイオン注入を行う。注入ドーズ量、加速電圧は少なくともHBTコレクタ層の一部に相当するアンドープInGaAs層がキャリア濃度2.5×1017から2.5×1018cm-3の範囲を満たす条件で注入し、所望のBeドーピングプロファイルが得られる。上記イオン注入用レジストマスクを有機溶剤で除去した後、p形炭素ドープInGaAsP及びp形炭素ドープInGaAs層の脱水素アニールを行う。この脱水素アニールによりp形炭素ドープInGaAsP及びp形炭素ドープInGaAs層中の炭素アクセプターが活性化しベース層中のキャリア濃度が増加すると同時に、コレクタ中InGaAs層に注入されたBeイオンが活性化し、該アンドープInGaAs層もp形導電性を示すことになり、UTC−PDにおいて光吸収層として作用する。
【0020】
その後、HBTに関しては、Pt/Ti/Pt/Auベース電極及びTi/Pt/Auエミッタ電極を蒸着・リフトオフ法で形成する。更にベース/コレクタ領域を規定するレジストパタンを形成し、選択ウェットエッチングによりp形InGaAsP/p形InGaAsベース層、アンドープInGaAs/n形InGaAsPコレクタ層を各々除去しn形InPコレクタコンタクト層を露出させ、蒸着・リフトオフ法によりTi/Pt/Auコレクタ電極を形成する。
【0021】
一方、UTC−PDに関しては、ベース電極に相当するアノード電極を蒸着・リフトオフで形成し、HBTと同じレジストマスクでp形InGaAsPキャリアブロック層、Beイオン注入を行ったp形InGaAs光吸収層、アンドープInGaAsPキャリア走行層を選択ウェットエッチングしHBTのコレクタコンタクト層に相当するn形InP電極層を露出させ、コレクタ電極に相当するカソード電極を形成する。
【0022】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、単一走行キャリアフォトダイオード(UTC−PD)のp形光吸収層をHBTコレクタに相当するアンドープInGaAs層中に形成するため深さ方向ドーピングプロファイルの制御性に優れたBeイオン注入法を用いることにより、従来技術の有していた課題を解決して、有効な内部量子効率とCR時定数を確保しつつ優れた周波数応答と飽和出力特性を有するフォトダイオードと信頼性、高周波特性、歩留まり、面内均一性、再現性、信頼性に優れたHBTとの集積化受光回路を供給することができ、超高速光通信フォトレシーバに適用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態例に係る同一基板(半絶縁性InP基板)上に製作したInP/InGaAs HBTとUTC−PDの断面構造概略図を示している。
【図2】本発明の一実施形態例に係るInP/InGaAs HBTとUTC−PDのエピ層構造を示す説明図である。
【図3】従来例によるInP/InGaAs HBTとUTC−PDのエピ層構造を示す説明図である。
【符号の説明】
1 エミッタ電極
2 n形InGaAs/n形InPエミッタコンタクト層
3 n形InPエミッタ層
4 ベース電極
4′ アノード電極
5 p形炭素ドープInGaAsPベース層
5′ p形キャリアブロック層
6 p形炭素ドープInGaAsベース層
6′ p形光吸収層
7 アンドープInGaAsコレクタ層
8 n形InGaAsPコレクタ層
8′ キャリア走行層
9 n形InPコレクタコンタクト層
9′ n形電極層
10 コレクタ電極
10′ カソード電極
11 半絶縁性InP基板
12 Beイオン注入で形成されたp形光吸収層(InGaAs)
Claims (2)
- 半絶縁性InP基板上に、n形InPコレクタコンタクト層、n形InGaAsP及びアンドープInGaAsからなるコレクタ層、p形炭素ドープInGaAs及びp形炭素ドープInGaAsPから成るベース層、n形InPエミッタ層、n形InPとn形InGaAsから成るエミッタコンタクト層で構成されるメサ型のヘテロ接合バイポーラトランジスタと、
前記半絶縁性InP基板上に、前記コレクタコンタクト層に相当するn形電極層、前記コレクタ層の一部に相当するキャリア走行層、前記ベース層の一部に相当するp形光吸収層、前記コレクタ層の一部に相当するアンドープInGaAs層中にBeイオン注入により形成されるp形InGaAs光吸収層、前記ベース層の一部に相当するp形キャリアブロック層で構成される単一走行キャリアフォトダイオードと
を含むことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ集積化受光回路。 - 半絶縁性InP基板上に、n形InPコレクタコンタクト層、n形InGaAsP及びアンドープInGaAsからなるコレクタ層、p形炭素ドープInGaAs及びp形炭素ドープInGaAsPから成るベース層、n形InPエミッタ層、n形InPとn形InGaAsから成るエミッタコンタクト層で構成されるメサ型のヘテロ接合バイポーラトランジスタと、前記半絶縁性InP基板上に、前記コレクタコンタクト層に相当するn形電極層、前記コレクタ層の一部に相当するキャリア走行層、前記ベース層の一部に相当するp形光吸収層、前記コレクタ層の一部に相当するp形光吸収層、前記ベース層の一部に相当するp形キャリアブロック層で構成される単一走行キャリアフォトダイオードとを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ集積化受光回路の製造方法において、
前記単一走行キャリアフォトダイオードを構成する平面領域においてのみ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおけるコレクタ層の一部に相当するアンドープInGaAsにBeを多段エネルギーでイオン注入することにより、少なくとも上記アンドープInGaAsをキャリア濃度2.5×1017から2.5×1018cm−3の範囲内のp形InGaAs光吸収層に変える工程と、
前記Beイオン注入後に実施される活性化アニールがヘテロ接合バイポーラトランジスタにおけるp形炭素ドープInGaAs及びp形炭素ドープInGaAsPから成るベース層のキャリア回復のために行われる脱水素アニールと同時に実施される工程と
を有することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ集積化受光回路の製造方法。
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