JP3910817B2 - 半導体受光装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は一般に光半導体装置に係り、特に光ファイバ通信システムで使われる半導体受光装置に関する。
【従来の技術】
【０００３】
図１は、関連技術による基板入射型半導体受光装置１０の概略的構成を示す断面図である。
【０００４】
図１を参照するに、半導体受光装置１０はｎ型ＩｎＰ基板１１上に構成されており、前記基板１１上に形成された低キャリア濃度のＩｎＧａＡｓ光吸収層１２と、ｎ型ＩｎＰキャップ層１３とを順次積層した層構造を有し、さらに前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２とＩｎＰキャップ層１３中には、前記キャップ層１３上に形成した誘電体保護膜１４中にバターニング形成した開口部からｐ型不純物を導入することにより、ｐ型ＩｎＧａＡｓ領域１６とｐ型ＩｎＰ領域１５とが形成されている。また前記ＩｎＰ基板１１上にはｎ型電極１７が、前記ｐ型ＩｎＰ領域１５上にはｐ型コンタクト電極１８がそれぞれ形成されており、前記ｎ型電極１７には、信号光が入射する光学窓が形成されている。図示の例では、前記基板１１表面には前記光学窓に対応して反射防止膜１９が設けられている。
【０００５】
次に図１の受光装置１０の動作を説明する。
【０００６】
動作時には前記電極１７と１８との間に逆バイアス電圧が印加され、この状態において前記基板１１中に前記光学窓を介して、光ファイバ通信システムで使用される１２６０から１６２０ｎｍの波長の信号が入射する。その際、前記基板１１を構成するＩｎＰ層は前記波長の入射光に対して透明であるため、入射した信号光は基板１１によっては吸収されることなくＩｎＧａＡｓ光吸収層１２に到達し、前記光吸収層１２において吸収される光キャリアの励起を生じる。
【０００７】
かかる半導体受光装置の応答速度は、一般に素子の静電容量Ｃと内部抵抗Ｒの積で表される時定数ＣＲ、および入射光によって励起されたキャリアの走行時間により規定される。そこで半導体受光装置１０の応答速度を向上させるためには、前記時定数を小さくすると同時に、前記半導体層中におけるキャリア走行時間を短縮する必要がある。キャリア走行時間は光吸収層１２の厚さに比例して増加するため、キャリア走行時間を短縮して応答特性を向上させるためには、前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の厚さを可能な限り薄くしなければならない。
【０００８】
ところが、このように高速化を目指して前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の厚さを減少させた場合、入射光は前記光吸収層１２によって完全に吸収されず、その結果量子効率が低下してしまう問題が生じる。
【０００９】
このように、応答速度と量子効率はトレードオフの関係にある為、高速応答を必要とする半導体受光装置を設計する場合、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の最適膜厚の設定には困難が伴う。
【００１０】
そこで図１に示す基板入射型の半導体受光装置１０では、前記光吸収層１２で吸収できなかった信号光をＩｎＰキャップ層１３を通して、前記キャップ層１３上に設けられたｐ型コンタクト電極１８で反射し、反射光を再度前記光吸収層１２に導入することにより、量子効率の低下を回避している。
【００１１】
しかし図１の半導体受光装置１０では、前記ｐ型ＩｎＰキャップ１３上に前記コンタクト電極１８を構成する金属膜を蒸着形成する際に、蒸着に伴う熱処理の結果前記ＩｎＰキャップ層１３と金属コンタクト電極層１８との界面に合金層が形成されてしまい、その結果前記ＩｎＰキャップ層１３とコンタクト電極１８との界面の平坦性が劣化してしまう。かかる界面の劣化が生じると、信号光の反射率は著しく低下し、前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２で吸収されずに前記コンタクト電極１８に到達した信号光は大部分が散乱されてしまう。その結果、量子効率は低下し、さらに受光装置１０から信号光を伝送する光ファイバへの戻り光量が増大してしまい、光ファイバ通信システムの伝送特性の低下を招いていた。
【００１２】
上記の問題を解決するため、特開平５−２１８４８８号公報は、図２に示すように基板入射型受光素子において、キャップ層１３とコンタクト電極１８との間に誘電体膜２０を介在させ、前記コンタクト電極１８を構成する金属層とキャップ層１３を構成するＩｎＰ層との間のアロイ化反応を抑制する構成を提案している。ただし図２中、図１に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明は省略する。
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、前記特開平５−２１８４８８公報記載の従来の基板入射型半導体受光装置では、前記コンタクト電極１８を構成する金属膜とその下の誘電体膜２０との間の密着性が不十分で、またかかる誘電体膜２０を設けることにより、コンタクト電極１８とその下のＩｎＰキャップ層１３との間の接触面積が減少することが避けられない。その結果、半導体受光装置の製造工程途中、あるいはワイヤボンディング工程、あるいはフリップチップ実装工程の際にコンタクト電極１８が剥がれやすい問題が生じていた。
【００１４】
そこで本発明は上記の課題を解決した新規で有用な半導体受光装置を提供することを概括的課題とする。
【００１５】
本発明のより具体的な課題は、応答が早く、高い効率を有し、しかも信頼性の高い半導体受光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
第１の側に光入射面を有し、さらに光吸収層（４２，１３３）を含む半導体構造（４１，４２，４３，１３２，１３３，１３４）と、
前記半導体構造上、前記光入射面と対向する第２の側において半導体層（４１，４３，１３４）上に形成された誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）と、
前記半導体構造上、前記第２の側において、前記半導体層（４１，４３，１３４）上、前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）の周囲に設けられ、前記半導体構造に接触するコンタクト電極（４８1，５１，１３７）とよりなる半導体受光装置において、
前記コンタクト電極（４８1，５１，１３７）上には、前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）の周囲においてＴｉを含むバリア電極（５２，１３８，１６１）が設けられ、
さらに前記半導体構造上、前記第２の側に、前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）を覆うように、かつ前記バリア電極（５２，１３８，１６１）および前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）に接触して設けられた反射電極（４７，４８2，１３９）を有し、
前記反射電極（４７，４８2，１３９）は、前記バリア電極（５２，１３８，１６１）に対して、前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）に対するよりも強く密着し、
前記反射電極（１３９）は、３Ａ〜８Ａ族の遷移金属元素を含有する第１金属反射膜（１３８Ａ）と、１Ｂまたは２Ｂ族の遷移金属を含有する第２金属反射膜（１３９）とよりなり、
前記第１金属反射膜（１３８Ａ）は、Ｐｔ，Ｎｉ，ＴｉＷ，ＴｉＮから選択された一または複数の元素を含み、前記第２金属反射膜（１３９）は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選択された一または複数の元素を含み、
前記バリア電極（１３８）は、前記コンタクト電極（１３７）よりも大きな面積を有することを特徴とする半導体受光装置により、または
請求項２に記載したように、
前記反射電極（４７，４８2，１３９）は、１Ｂ〜２Ｂ族の遷移金属元素を含有するものであることを特徴とする請求項１記載の半導体受光装置により、または
請求項３に記載したように、
前記反射電極（４７，４８2，１３９）は、Ａｕ，ＡｇおよびＣｕからなる群より選ばれた一又は複数の元素を含むことを特徴とする請求項２記載の半導体受光装置により、または
請求項４に記載したように、
前記コンタクト電極（４８1，１３７）は、リング状であることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体受光装置により、または
請求項５に記載したように、 前記半導体構造（１３２，１３３，１３４）は半導体基板（１３２）上に設けられており、前記光入射面は、基板側に位置することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体受光装置により、または
請求項６に記載したように、
前記半導体構造（４１，４２，４３）は、半導体基板（４１）上に設けられており、前記光入射面は、前記基板とは反対側の表面に位置することを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体受光装置により、または
請求項７に記載したように、
前記半導体構造はキャリア増倍層（４３）を含み、前記半導体受光装置はアバランシェフォトダイオード（１７０）であることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体受光装置により、解決する。
【００１７】
［第１実施例］
図３（Ａ）〜図５（Ｇ）は本発明の第１実施例による半導体受光装置４０の製造工程を示す。
【００１８】
図３（Ａ）を参照するに、前記半導体受光装置４０はｎ型ＩｎＰ基板上４１に構成されており、前記基板４１上にエピタキシャルに形成された５．５×１０14ｃｍ-3のキャリア濃度を有し膜厚が２μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層４２と、前記ＩｎＧａＡｓ層４２上にエピタキシャルに形成された３×１０15ｃｍ-3のキャリア濃度を有し膜厚が１．４μｍのｎ型ＩｎＰ層４３と含む。前記ＩｎＧａＡｓ層４２およびＩｎＰ層４２は典型的にはＭＯＶＰＥ法により形成されるが、ＭＢＥ法など、他の結晶成長技術により形成することも可能である。
【００１９】
次に図３（Ｂ）の工程で前記ＩｎＰ層４３上には典型的にはＳｉＮよりなる保護誘電体膜４４が形成され、さらに前記保護誘電体膜４４中にはフオトリソグラフィー法により前記ＩｎＰ層４３を露出する開口部４４Ａが形成される。さらに前記ＩｎＰ層４３中には前記開口部４４Ａを介してｐ型不純物が熱拡散あるいはイオン注入法により導入され、その結果、前記ｎ型ＩｎＰ層４３およびその下のｎ型ＩｎＧａＡｓ層４２の表面部分には、前記開口部４４Ａに対応してｐ型領域４５およびｐ型ＩｎＧａＡｓ領域４６が形成される。前記ｐ型不純物としては、Ｚｎ，Ｃｄ，Ｂｅ等を使うことができる。
【００２０】
次に図３（Ｃ）の工程においてＣＶＤ法により、前記保護誘電体膜４４上に前記開口部４４Ａにおいて前記ｐ型ＩｎＰ領域４５の露出表面を覆うようにＳｉＮ等の誘電体被覆膜５０を形成し、図４（Ｄ）の工程においてこれをフォトリソグラフィー法によりパターニングすることにより、前記ＩｎＰ領域４５の露出表面上に誘電体反射膜５０Ａを形成する。前記誘電体反射膜５０Ａの形成に伴い、前記誘電体反射膜５０Ａの回りには前記ｐ型ＩｎＰ領域４５の表面を露出するリング状開口部４８Ａが形成される。
【００２１】
続いて図４（Ｅ）の工程において抵抗加熱真空蒸着あるいは電子ビーム蒸着などを使った蒸着工程とリフトオフ工程により、前記リング状開口部４８Ａ中にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ層構造を有するリング状のコンタクト電極４８1を形成する。さらにこのように形成されたリング状コンタクト電極４８1に熱処理工程を行い、合金化させる。
【００２２】
図４（Ｅ）の工程では、かかる熱処理工程に伴い前記ｐ型ＩｎＰ領域４５とリング状コンタクト電極４８1の間のリング状界面領域には合金層が形成される為、この部分においてはＩｎＰ層４３の平坦性は悪くなるが、前記ｐ型ＩｎＰ領域４５のうち、前記ＩｎＧａＡｓ層４２を通過した信号光が到達し反射される反射面として作用する部分では、前記誘電体反射膜５０Ａが形成されているため、当初のＩｎＰ層４３の平坦性が維持されている。
【００２３】
さらに図４（Ｆ）の工程において、前記誘電体膜５０上に前記リング状コンタクト電極４８1を露出する開口部を有するレジストパターンを形成し、さらに前記レジストパターン上にＴｉあるいはＡｌよりなる導電層を堆積後、リフトオフすることにより、前記誘電体反射膜５０Ａ上に前記リング状コンタクト電極４８1とコンタクトする密着電極４８2を形成する。
【００２４】
上記の工程において、前記誘電体反射膜５０Ａと前記ｎ型ＩｎＰ層４３中のｐ型領域４５との間の界面は、前記コンタクト電極４８1の合金化熱処理を行っても、前記誘電体反射膜５０ＡとＩｎＰとが全く反応しない為、当初の平坦性を維持している。また前記誘電体反射膜５０Ａと密着電極４８2との間の界面も、前記熱処室工程の有無に関わらず、平坦性を維持している。
【００２５】
そこで図５（Ｇ）の工程において、前記ｎ型ＩｎＰ基板４１の下主面上にリング状のｎ型電極４７および反射防止膜４９を形成し、前記反射防止膜４９を介して信号光ビーム５２を前記基板４１に導入した場合、前記信号光ビーム５２は一部が前記ＩｎＧａＡｓ層４２で吸収された後、前記誘電体反射膜５０Ａにおいて反射され、前記ＩｎＧａＡｓ層４２に戻される。その際、前記ｐ型ＩｎＰ領域４５と誘電体反射膜５０Ａとの間の界面が平坦性を維持しているため、高い反射率が得られ、光損失が最小化される。
【００２６】
本発明ではまた、前記リング状コンタクト電極４８1の内側領域および外側領域に、前記誘電体反射膜５０Ａあるいは誘電体膜５０と密着性の良いＴｉやＡｌよりなる密着電極４８2を形成しているため、前記リング状コンタクト電極４８1と前記密着電極４８2を含めた電極全体の密着強度が向上し、例えば製造工程中、あるいはワイヤボンディング等の実装工程時に電極剥がれが生じることがなくなる。
【００２７】
以下の表１は、本実施例の半導体受光装置４０について、１０００回の試験を行った場合のコンタクト電極４８1の剥がれ率を、図２の従来の構造のものと比較して示す。
【００２８】
【表１】
Figure 0003910817
表１よりわかるように、試験した１０００個の試料のうち、従来の構造の受光装置では８０％の試料において電極剥がれが発生したのに対し、本実施例の受光装置４０では、電極の剥がれが発生した試料は１％にも満たなかった。
【００２９】
先に説明したように、本実施例においては前記密着電極４８2としてＴｉの代わりにＡｌを使うことも可能である。また本実施例において、前記保護誘電体膜４４および誘電体被覆膜５０はＳｉＮ膜に限定されるものではなく、Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ等の弗化物膜あるいは酸化物膜あるいは窒化物膜を使うことができる。
【００３０】
さらに本実施例においてｐ型とｎ型の導電型を逆転させても良く、さらに前記半導体層４１〜４３はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料に限定されるものではなく、ＳｉやＧｅ等であってもよい。
【００３１】
［第２実施例］
先の実施例では、リング状コンタクト電極４８1の内側領域に設けられた誘電体反射膜５０Ａ上に前記密着電極４８2を構成するＴｉ膜が配置されている。
【００３２】
一般にＴｉ膜は入射光を吸収するため、前記ｐ型ＩｎＰ領域４５と誘電体反射膜５０Ａとの間の界面が平坦であっても、前記誘電体反射膜５０Ａの反射率が低い場合、前記誘電体反射膜５０Ａを透過した光がＴｉ電極４８2に到達した時点で吸収されてしまい、十分な反射率が得られない場合がある。
【００３３】
そこで、本実施例では前記誘電体膜５０、および誘電体反射膜５０Ａ上に、図６に示すＳｉＯ2膜５０1とＳｉ膜５０2とを繰り返し積層したλ／４多層反射膜を設ける。λは入射光の波長である。すなわち、図６の構成において、前記ＳｉＯ2膜５０1とＳｉ膜５０2の光学的膜厚を入射光波長の１／４に設定することにより、前記多層反射膜により実質的に１００％の反射率が実現でき、前記Ｔｉ密着電極４８2による光吸収の影響を実質的に完全に除くことが可能である。あるいは前記誘電体被覆膜５０および誘電体反射膜５０Ａ自体を、図６の多層構造に形成してもよい。
【００３４】
図６ではＳｉＯ2膜５０1とＳｉ膜５０2とよりなる繰り返し構造単位が２回繰り返されているが、かかる構造単位は一回だけでも、あるいは３回以上繰り返してもよい。さらに前記構造を安定化させるため、多層誘電体反射膜５０Ａの最上層を前記ＳｉＯ2膜５０1とするのが好ましい。また、図６と同様な１／４波長多層反射膜を、ＳｉＯ2膜とＴｉＯ2膜等、他の材料の組み合わせにより形成することも可能である。また前記Ｓｉ膜５０2の代わりにＧｅ膜を使うことも可能である。
【００３５】
［第３実施例］
図７は、本発明の第３実施例による密着電極４８2の構成を示す。
【００３６】
図７を参照するに、本実施例の密着電極４８2はＴｉ層４８2ＡとＰｔ層４８2ＢとＡｕ層４８2Ｃとを積層した構造を有し、前記誘電体反射膜５０Ａとの密着性は、最下層のＴｉ層４８2Ａにより得られる。一方、前記Ａｕ層４８2Ｃを設けることにより前記密着電極４８2の抵抗が全体として低減され、また前記Ａｕ層４８2ＣとＴｉ層４８2Ａとの間に前記Ｐｔ層４８2Ｂを介在させることにより、前記層４８2Ａと層４８2Ｃとの間での元素の相互拡散を抑制できる。
【００３７】
かかる構成では、前記密着電極４８2のうち、前記Ｔｉ層４８2Ａの領域はわずかで、大部分は高反射率のＰｔ層４８2とＡｕ層４８3とよりなるため、前記誘電体反射膜５０Ａを通過した光のＴｉ層による吸収を最小化できる。
【００３８】
［第４実施例］
図８は、本発明の第４実施例による半導体受光装置６０の構成を示す。ただし図８中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図８を参照するに、前記半導体受光装置６０は先の半導体受光装置４０と類似した構成を有するが、前記リング状コンタクト電極４８1の半径方向上内側に、前記ｐ型ＩｎＰ領域４５との反応性が低い、典型的にはＰｔやＮｉ，ＴｉＷやＴｉＮよりなる高反射率パターン４８3を形成し、前記誘電体反射膜５０Ａにより、前記高反射率パターン４８3を覆っている点で異なっている。
【００４０】
前記半導体受光装置６０の実際の製造工程では、先の図３（Ｂ）の工程において前記ｐ型ＩｎＰ領域４５の形成後、前記ＩｎＰ層４５の表面上、前記開口部４４Ａの内側に前記Ｐｔパターン４８3を形成し、その後図３（Ｃ）の工程に移行して、前記Ｐｔパターン４８3を埋めるように前記誘電体反射膜５０Ａを堆積すればよい。
【００４１】
先の図６の多層構造を有する誘電体反射膜５０Ａでは、前記層５０1，５０2よりなる構造単位の繰り返し回数を増やすほど反射率は向上するが、一方で前記誘電体反射膜５０Ａの厚さも同時に増大し、図４（Ｅ）の工程におけるリング状コンタクト電極４８1の形成が、前記リング状開口部４８Ａ（図４（Ｄ）参照）のアスペクト比の増加のために困難になる場合がある。これに対し、本実施例による構成では、前記高反射パターン４８3は材料自体が高い反射率を有し、その結果、先の図６のような厚い誘電体反射膜５０Ａを使うことなく、比較的薄い膜厚で高反射率ミラーを得ることができる。
【００４２】
すなわち、本実施例では誘電体被覆膜５０および誘電体反射膜５０Ａの厚さを減少させることができるため前記ＩｎＰ層４３の上面に形成される電極構造の凹凸が減少し、コンタクト電極４８1および密着電極４８2を形成する際の凹凸の面のステップカバレッジが向上し、製造歩留まりおよび信頼性が向上する。
【００４３】
［第５実施例］
図９は、本発明の第５実施例による半導体受光装置８０の構成を示す。ただし図９中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
図９を参照するに、半導体受光装置８０は先の半導体受光装置６０と類似した構成を有するが、Ｐｔ等よりなる前記高反射率パターン４８3が直接に前記密着電極４８2と接触している点が異なっている。これに伴い、前記誘電体反射膜５０Ａは、前記高反射率パターン４８3と前記リング状コンタクト電極４８1との間のリング状領域にのみ形成されている。
【００４５】
なお、この誘電体膜反射膜５０Ａは反射膜として機能することは必ずしも必要でなく、またこれを省略して高反射率パターン４８ 3 とコンタクト電極４８ 1 とが接するように構成することも可能である。
【００４６】
本実施例では、前記高反射率パターン４８3がＰｔやＮｉ，ＴｉＷやＴｉＮ等の導電材料よりなるため素子抵抗が低減され、応答速度がさらに改善される。
【００４７】
なお、上記実施例では、基板４１の下主面にｎ型電極４７を形成したが、高速応答の為に前記ｎ型電極４７を前記ｐ型電極４８1〜４８3と同じく前記ｎ型ＩｎＰ層４３の上主面に形成し、さらに前記密着電極４８2上にフリップチッブ実装用の為に半田バンプを形成しても良い。
【００４８】
ここで、高反射率パターン４８3の材料について考察する。
【００４９】
前記高反射率パターン４８3の反射率を１００％近くにするためには、前記パターン４８3として、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕなど、元素周期律表における１Ｂ族および２Ｂ族の遷移金属元素（いわゆる貴金属）を使う必要がある。これらの金属は遷移金属であっても他の遷移金属とは異なり、バンド間遷移による誘電率と自由電子の誘電率の総合効果により吸収端波長が０．６μｍ以下となり、光通信システムの動作波長範囲では光吸収を生じない。
【００５０】
一方、これらの金属は、半導体層中に熱拡散して合金を形成しやすく、また元素間の結合力を左右する最外殻電子が１個あるいは２個しかないため誘電体膜に対する密着性が劣る問題を有しており、このような金属を使った半導体受光装置では、信頼性の問題が生じる。また、熱ストレスにより反射率が変動したり、ワイヤボンディングの際に、あるいは実装基板上に実装する際に、密着強度が確保できない問題が生じる。
【００５１】
このような事情で、本発明では、半導体層中への金属元素の拡散を抑制し、また同時に密着性を向上させるために、高反射率パターン４８3を、最外殻電子数が多いＴｉなど、周期率表における３Ａ〜８Ａ族の遷移金属元素を含んだ材料により構成する。一方、これらの金属元素は、バンド内遷移により、可視領域から遠赤外領域にわたって非常に強い吸収を生じるため、光通信で使われる波長領域において光吸収が生じ、所望の高反射率を実現できない場合が考えられる。
【００５２】
この問題点に鑑み、本発明では前記高反射率パターン４８3を単純に３Ａ〜８Ａ族の遷移金属元素よりなる材料により構成するのではなく、かかる材料の上に１Ｂあるいは２Ｂ族の遷移金属元素（すなわちＡｕ，Ａｇ，Ｃｕなど）を含む材料を積層することにより構成する。その際、本発明では、前記３Ａ〜８Ａ族の遷移金属元素よりなる材料層の厚みを、信号光の波長における吸収長よりも薄く設定することにより、光吸収を最小化する。
【００５３】
上記各実施例の構成では、前記コンタクト電極４８1は信号光２２の反射面を連続的に囲むようにリング状に形成しているが、前記コンタクト電極４８1の形状はかかるリング状形状に限定されるものではなく、前記反射面の回りに部分的に設けたものでもよい。
【００５４】
なお以上に説明した各実施例は、半導体受光装置は基板側入射型を例に説明したが、本発明は表面入射型構造の半導体受光装置にも適用可能である。
【００５５】
［第６実施例］
図１０は本発明の第６実施例による、表面実装型アバランシェフォトダイオード１００の構成を示す。ただし図１０中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５６】
図１０を参照するに、前記アバランシェフォトダイオード１００は先の半導体受光装置４０〜８０と同様な半導体層構造を有し、前記ｎ型ＩｎＰ基板４１上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４２とｎ型ＩｎＰキャップ層４３とを含むが、さらに前記光吸収層４２とキャップ層４３との間には、ｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓＰ組成傾斜層１０１が形成されている。さらに前記キャップ層４３中にはｐ型領域４５が形成されており、前記ｐ型領域４５の周囲にはｐ型ガードリング４５Ｇが形成されている。前記ＩｎＰキャップ層４３は本実施例では光増倍層として作用する。
【００５７】
本実施例のアバランシェフォトダイオード１００では、表面実装を可能にするために、前記ＩｎＰキャップ層４３中には前記基板４１にまで達するコンタクト溝１００Ａが形成されており、前記コンタクト溝１００Ａの底から前記キャップ層４３の表面まで、導体パターン１００ａが延在している。
【００５８】
前記ＩｎＰキャップ層４３の表面には、前記コンタクト溝１００Ａの表面および前記導体パターン１００ａをも覆うようにＳｉＮ等よりなる誘電体被覆膜５０が形成されており、前記誘電体被覆膜５０中には先に説明したリング状開口部４８Ａ（図４（Ｄ）参照）を隔てて誘電体反射膜５０Ａが形成されている。また前記リング状開口部４８Ａにはリング状コンタクト電極４８1が形成されている。
【００５９】
さらに前記誘電体反射膜５０Ａ上には、前記誘電体反射膜５０Ａに対して優れた密着力を有する、典型的にはＴｉあるいはＡｌよりなる密着電極４８2が、前記リング状コンタクト電極４８1にコンタクトするように形成されている。
【００６０】
また、前記誘電体膜５０には前記導体パターン１００ａを露出するコンタクトホールが形成され、前記コンタクトホールにおいてｎ型電極４７が前記導体パターン１００ａを介して前記ｎ型ＩｎＰ基板４１とコンタクトするように形成されている。
【００６１】
本発明のアバランシェフォトダイオードにおいても、前記誘電体反射膜５０Ａを設けることにより、前記ｐ型ＩｎＰ領域４５の表面が前記密着電極４８2を形成した後においても当初の平坦性を維持しており、従って前記基板４１に反射防止膜４９を通って入射した光ビームが前記光吸収層４２により完全に吸収されず、前記キャップ層４３にまで到達した場合、前記光ビームは高い効率で前記光吸収層４２に戻され、吸収される。
【００６２】
なお、本実施例のアバランシェフォトダイオードにおいても、先の半導体受光装置６０あるいは８０の高反射膜４８3を使う変形が可能である。
【００６３】
［第７実施例］
図１１は、本発明の第７実施例による表面実装型アバランシェフォトダイオード１１０の構成を示す。ただし図１１中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６４】
図１１を参照するに、本実施例ではＩｎＰ基板４１の裏面にレンズ状の集光部４１Ｌが形成されている。その結果、本実施例では入射した光信号が、効率良く受光素子構造に入射する。
【００６５】
本発明のその他の特徴は、先の実施例と同様であり、説明を省略する。
【００６６】
［第８実施例］
図１２は、本発明の第８実施例による表面入射型半導体受光装置１２０の構成を示す。ただし図１２中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６７】
図１２を参照するに、表面入射型半導体受光装置１２０は図５の半導体受光装置４０と類似した構成を有するが、前記誘電体被覆膜５０および誘電体反射膜５０Ａが反射防止膜４９に置き換えられ、前記密着電極４８2中には前記反射防止膜４９を露出する開口部４８Ｗが形成されている。
【００６８】
図１２の表面入射型半導体受光装置１２０では、さらに前記誘電体反射膜５０Ａが前記基板４１の下主面上に、前記反射防止膜４９の代わりに設けられ、前記ｎ型電極４７は前記基板４１の下主面上において前記誘電体反射膜５０Ａを覆うように形成されている。
【００６９】
図１２の構成の半導体受光装置１２０では、入射光５２は前記密着電極４８ 2 中の受光窓４８Ｗを通って前記反射防止膜４９に入射し、さらに前記光吸収層４２において吸収されるが、吸収されなかった成分は前記基板４１の下面において反射され、前記光吸収層４２に戻される。その際、前記基板４１の下主面と前記ｎ型電極４７との間には前記誘電体反射膜５０Ａが設けられているため、前記基板４１とｎ型電極４７との間においてアロイ化は、少なくとも前記反射領域においては生じることがなく、優れた反射面が確保される。
【００７０】
［第９実施例］
図１３は、本発明の第９実施例による基板入射型半導体受光装置１３０の受光領域近傍における要部拡大図を示す。なお、図示しない領域には半導体基板や電界を印加するための電極が形成されている。
【００７１】
図１３を参照するに、半導体受光装置１３０は１．５μｍの厚さでエピタキシャルに形成されたキャリア濃度が２×１０17ｃｍ-3のｎ型ＩｎＰ層１３２と、前記ＩｎＰ層１３２上にエピタキシャルに形成された厚さが２μｍでキャリア濃度が５．５×１０14ｃｍ-3のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３３と、前記光吸収層１３３上に１．５μｍの厚さでエピタキシャルに形成されたキャリア濃度が６×１０15ｃｍ-3のｎ型ＩｎＰ層１３４とを含み、前記ＩｎＰ層１３４中には、前記光吸収層１３３に到達するように、Ｚｎ，Ｃｄ，Ｂｅ等を含むｐ型領域１３４Ａが形成されている。
【００７２】
前記ｎ型ＩｎＰ層１３４上には前記ｐ型領域１３４Ａを露出する開口部を有するＳｉＮ膜等よりなる絶縁膜１３５が典型的にはＣＶＤ法により形成されており、さらに前記絶縁膜１３５上には光波長の１／４の膜厚を有する誘電体１３６が、ＳｉＮ膜あるいはＳｉＯ2膜により、同じくＣＶＤ法などにより形成されている。前記ｐ型領域１３４Ａは、実際にはかかる開口部を介してｐ型不純物元素を導入し、熱拡散させることにより形成される。
【００７３】
このようにして形成された誘電体１３６はパターニングされ、前記ｐ型領域１３４Ａ上に、リング状の溝により隔てられた誘電体パターン１３５Ａが、誘電体ミラーとして形成されている。また前記リング状の溝には、前記ｐ型領域１３４とオーミック接触するリング状のＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極パターン１３７が、リフトオフ法により形成されている。
【００７４】
さらに本実施例では前記リング状のＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極パターン１３７上に、Ｔｉ膜とＰｔ膜とを順次積層した構造のリング状バリアパターン１３８を形成し、前記リング状バリアパターン上に前記誘電体パターン１３５Ａにコンタクトするように、Ａｕピラー１３９が、めっきおよびリフトオフ法により形成される。また前記Ａｕピラー１３９上にはＡｕ／Ｓｎ合金層などよりなるバンプ電極が、リフトオフ法により形成される。
【００７５】
かかる構成の半導体受光素子では、前記リング状の溝においてリング状の電極パターン１３７がｐ型拡散領域１３４Ａとオーミック接触するため、界面の平坦性が劣化するが、信号光が反射される誘電体ミラーパターン１３５Ａとｐ型拡散領域１３４Ａとの界面は平坦であり、反射率の低下は生じない。
【００７６】
また本実施例では、前記誘電体ミラーパターン１３５Ａ上に形成されているＡｕピラー１３９が、誘電体ミラーパターン１３５Ａと共に反射ミラーを構成している。Ａｕピラー１３９は誘電体ミラーパターン１３５Ａに対する密着性が低いが、リング状バリアパターン１３８とＡｕピラー１３９との間の密着性が高いため、Ａｕピラー１３９が剥がれることが防止できる。先にも説明したようにＴｉは最外殻電子の数が多く、他の元素と強固に結合する。一方、ＰｔはＡｕピラー１３９からの、前記ｐ型拡散領域１３４ＡへのＡｕの拡散を阻止する拡散バリアとして作用する。かかる構成によれば、半導体受光装置１３０に熱的ストレスが印加された場合でも、安定した反射率が確保される。
【００７７】
なお、本実施例において、前記リング状バリアパターン１３８としてはＴｉ／Ｐｔ積層構造の他に、ＴｉＷ膜あるいはＴｉＮ膜を使うことも可能である。さらに前記ピラー１３９として、Ａｕの代わりにＡｇ，Ｃｕなど、他の１Ｂ族あるいは２Ｂ族の遷移金属元素（貴金属）を使うことも可能である。また、Ａｌなどの３Ｂ族の遷移金属元素を使うことも可能である。
【００７８】
図１４は、半導体受光装置１３０について行ったチップボンディング強度試験の結果を示す。
【００７９】
図１４を参照するに、□は図１に示す従来の半導体受光装置についての結果を示すのに対し、●は本実施例の半導体受光装置１３０についての結果を示す。
【００８０】
図１４よりわかるように、本実施例の半導体受光装置１３０においては、従来の半導体受光装置のボンディング強度と同等、あるいはそれ以上の結果が得られていることがわかる。
【００８１】
［第１０実施例］
図１５は、本発明の第１０実施例による半導体受光装置１５０の構成を示す。ただし図１５中、先に説明した部分と同一の部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８２】
図１５を参照するに、本実施例では前記リング状バリア層パターン１３８とＡｕピラー１３９との間にＴｉ密着層１３８Ａを、前記Ａｕピラー１３９と誘電体ミラーパターン１３５Ａとの界面に介在するように形成する。このようにＴｉ密着層１３８Ａを設けることにより、半導体受光装置１５０の密着強度はさらに向上する。
【００８３】
一方、先にも説明したようにＴｉ層は半導体受光装置１５０の動作波長領域において光吸収を生じるため、本実施例においては前記Ｔｉ密着層１３８Ａの厚さを、Ｔｉ層中における吸収長（吸収計数の逆数）よりも小さく設定している。
【００８４】
図１６は、Ｔｉ層の厚さと反射率の関係を、１５５０ｎｍおよび１６２０ｎｍの波長について示す。
【００８５】
図１６を参照するに、反射率はＴｉ層の厚さが増大するとともに減少するのがわかるが、従来の厚さが１００ｎｍのＴｉ膜と厚さが２１５ｎｍＳｉＮとを積層した反射ミラーの反射率と同等あるいはそれ以上の反射率を達成するには、Ｔｉ膜の厚さを４０ｎｍ以下にすればよいことがわかる。
【００８６】
従って、図１６の関係より、本実施例では前記密着層１３８Ａの厚さを４０ｎｍ以下に設定するのが好ましい。例えば前記密着層１３８Ａの厚さを３０ｎｍに設定することにより、従来よりも高い反射率を実現することができる。
【００８７】
［第１１実施例］
図１７は、本発明の第１１実施例による表面入射型半導体受光装置１６０の構成を示す。ただし図中、先に説明した部分と同一の構成の部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８８】
図１７を参照するに、本実施例では基板４１の下面上に誘電体反射膜５０Ａおよび誘電体反射膜５０Ｂが誘電体膜のパターニングにより形成されており、誘電体反射膜５０Ａと誘電体反射膜５０Ｂとの間のリング状溝には、オーミック電極５１が形成されている。
【００８９】
さらに前記誘電体反射膜５０Ａと誘電体反射膜５０Ｂとを架橋するように、またその間に介在するリング状オーミック電極５１に密接にコンタクトするように、Ｔｉ／Ｐｔ構造のリング状バリア電極パターン５２が形成されており、Ａｕ電極４７は、かかるバリア電極パターン５２上に、前記リング状バリア電極パターン５２により露出された誘電体反射膜５０Ａとコンタクトするように設けられている。さらに前記Ａｕ電極４７上には実装用のバンプ電極５３が形成されている。本実施例では、前記Ａｕ電極４７を光吸収の少ないＡｕやＡｇ，Ｃｕなどの１Ｂ族あるいは２Ｂ族の遷移金属より構成する。
【００９０】
かかる構成の半導体受光装置１６０においては、入射光は前記誘電体膜４９を通って基板４１中に入来し、誘電体反射膜５０Ａにより反射されて光吸収層４２において吸収される。
【００９１】
本実施例では前記誘電体反射膜５０Ａ，５０Ｂ上にＴｉ／Ｐｔ構造のバリア電極５２を設け、前記バリア電極５２をオーミック電極５１とＡｕ電極４７とコンタクトさせることにより、Ａｕ電極４７と誘電体反射膜５０Ａとの間の密着力の不足が補償され、半導体受光装置１６０を実装基板上に実装した場合に信頼性の高い実装が実現される。また、本実施例では誘電体反射膜５０Ａと基板４１との界面にはオーミックコンタクトは生じないため、高い反射率が保証される。
【００９２】
なお、図１７の構成では、ＩｎＰ基板４１とＩｎＧａＡｓ光吸収層４２との間にｎ型ＩｎＰバッファ層４１Ａが設けられている。
【００９３】
［第１２実施例］
図１８は、本発明の第１２実施例による表面実装型アバランシェフォトダイオード１７０の受光領域近傍における要部構成を示す拡大図である。ただし図１８中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００９４】
図１８を参照するに、アバランシェフォトダイオード１７０は先に図１０で説明したアバランシェフォトダイオード１００と同様な構成を有するが、電極４８2として光吸収の少ないＡｕ，Ａｇ，Ｃｕなどの１Ｂ族あるいは２Ｂ族の遷移金属を使い、オーミック電極４８1とＡｕ層４８2との間にＴｉ／Ｐｔ構造のバリア電極１６１を介在させる。また前記電極４８2上にはＡｕ／Ｓｎ構造の実装用バンプ電極１６２が形成されている。
【００９５】
かかる構成により、前記アバランシェフォトダイオード１７０を実装基板上にフリップチップ実装した場合の強度および信頼性が大きく向上する。
【００９６】
先の実施例と同様に、光吸収を生じるＴｉ膜は前記バリア電極１６１にのみ形成されており、従ってミラーとして使われる誘電体膜５０Ａを含む反射領域の反射率が低下することはない。
【００９７】
図１８の構成では、ＩｎＰ基板４１とＩｎＧａＡｓ層４２との間にｎ型ＩｎＰバッファ層４１Ａが挿入されている。
【００９８】
なお、以上に説明した各実施例は不純物拡散によりｐ型半導体を形成する、いわゆるプレーナ型の素子であるが、本発明はメサ型の素子に対しても適用可能である。また上記各実施例においてｐ型とｎ型の導電型を逆転させることも可能である。
【００９９】
さらに以上に説明した各実施例はＩＩＩ−Ｖ族多元系半導体に基づいているが、本発明はかかる特定の半導体系に限定されるものではなく、例えばＳｉやＧｅを半導体層として使った系に対しても適用可能である。
【０１００】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【発明の効果】
【０１０１】
本発明によれば、前記コンタクト電極の内側に設けられた誘電体反射膜、あるいは前記コンタクト電極の外側の領域に設けられた誘電体保護膜上に、密着性の高い金属膜よりなる密着電極を配置することにより、前記コンタクト電極と密着電極とよりなる電極全体の密着力が向上し、その結果、製造工程途中、あるいはワイヤボンテング工程等の実装時におけるコンタクト電極の剥がれの問題を回避することができる。また、前記コンタクト電極の内側領域にコンタクト電極よりも半導体層との反応性の低い金属膜を反射膜として設けることにより、光反射面の平坦化及び反射率の向上を実現することができる。本発明では金属膜を反射膜として使うことにより、比較的薄い膜厚で高反射率ミラーが構成でき、その結果、電極形成時のステップカバレッジを向上させ、製造歩留まり及び信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体受光装置の構成を示す図である。
【図２】従来の別の半導体受光装置の構成を示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１実施例による半導体受光装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図４】（Ｄ）〜（Ｆ）は、本発明の第１実施例による半導体受光装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図５】（Ｇ）は、本発明の第１実施例による半導体受光装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図６】本発明の第２実施例による半導体受光装置の一部を示す図である。
【図７】本発明の第３実施例による半導体受光装置の一部を示す図である。
【図８】本発明の第４実施例による半導体受光装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第５実施例による半導体受光装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施例によるアバランシェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１１】本発明の第７実施例によるアバランシェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１２】本発明の第８実施例による半導体受光装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の第９実施例による半導体受光装置の受光領域近傍要部の構成を示す図である。
【図１４】図９の半導体受光装置のボンディング強度を示す図である。
【図１５】本発明の第１０実施例による半導体受光装置の受光領域近傍要部の構成を示す図である。
【図１６】図１５の半導体受光装置における反射率とＴｉ密着膜の膜厚との関係を示す図である。
【図１７】本発明の第１１実施例による半導体受光装置の構成を示す図である。
【図１８】本発明の第１２実施例による半導体受光装置の受光領域近傍要部の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，４０，６０，８０，１２０，１３０，１５０，１６０，１７０ 半導体受光装置
１１，４１ 基板
４１Ａ，１３２ バッファ層
１２，４２，１３３ 光吸収層
１３，４３，１３４ キャップ層
１４，２０，４４，５０，１３５ 誘電体保護膜
１５，１６，４５，４６，１３４Ａ ｐ型領域
１７ ｎ型電極
１８，４８1，１３７ オーミックコンタクト電極
１９，４９ 反射防止膜
４４Ａ 開口部
４５Ｇ ガードリング
４７ Ａｕ電極
４８Ａ リング状開口部
４８2 Ａｕ層
４８2Ａ Ｔｉ膜
４８2Ｂ Ｐｔ膜
４８2Ｃ Ａｕ膜
４８3，５０Ａ 高反射膜
５０Ｂ 誘電体膜パターン
５０1 ＳｉＯ2膜
５０2 Ｓｉ膜
５２，１３８ バリア電極
５３，１４０，１６２ バンプ電極
１００ アバランシェフォトダイオード
１００Ａ コンタクト溝
１００ａ 導電性パターン
１０１ 組成傾斜層
１３６ 誘電体反射膜
１３９ Ａｕピラー

Claims (7)

  1. 第１の側に光入射面を有し、さらに光吸収層（４２，１３３）を含む半導体構造（４１，４２，４３，１３２，１３３，１３４）と、
    前記半導体構造上、前記光入射面と対向する第２の側において半導体層（４１，４３，１３４）上に形成された誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）と、
    前記半導体構造上、前記第２の側において、前記半導体層（４１，４３，１３４）上、前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）の周囲に設けられ、前記半導体構造に接触するコンタクト電極（４８1，５１，１３７）とよりなる半導体受光装置において、
    前記コンタクト電極（４８1，５１，１３７）上には、前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）の周囲においてＴｉを含むバリア電極（５２，１３８，１６１）が設けられ、
    さらに前記半導体構造上、前記第２の側に、前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）を覆うように、かつ前記バリア電極（５２，１３８，１６１）および前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）に接触して設けられた反射電極（４７，４８2，１３９）を有し、
    前記反射電極（４７，４８2，１３９）は、前記バリア電極（５２，１３８，１６１）に対して、前記誘電体反射膜（５０Ａ，１３５Ａ）に対するよりも強く密着し、
    前記反射電極（１３９）は、３Ａ〜８Ａ族の遷移金属元素を含有する第１金属反射膜（１３８Ａ）と、１Ｂまたは２Ｂ族の遷移金属を含有する第２金属反射膜（１３９）とよりなり、
    前記第１金属反射膜（１３８Ａ）は、Ｐｔ，Ｎｉ，ＴｉＷ，ＴｉＮから選択された一または複数の元素を含み、前記第２金属反射膜（１３９）は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選択された一または複数の元素を含み、
    前記バリア電極（１３８）は、前記コンタクト電極（１３７）よりも大きな面積を有することを特徴とする半導体受光装置。
  2. 前記反射電極（４７，４８2，１３９）は、１Ｂ〜２Ｂ族の遷移金属元素を含有するものであることを特徴とする請求項１記載の半導体受光装置。
  3. 前記反射電極（４７，４８2，１３９）は、Ａｕ，ＡｇおよびＣｕからなる群より選ばれた一又は複数の元素を含むことを特徴とする請求項２記載の半導体受光装置。
  4. 前記コンタクト電極（４８1，１３７）は、リング状であることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体受光装置。
  5. 前記半導体構造（１３２，１３３，１３４）は半導体基板（１３２）上に設けられており、前記光入射面は、基板側に位置することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体受光装置。
  6. 前記半導体構造（４１，４２，４３）は、半導体基板（４１）上に設けられており、前記光入射面は、前記基板とは反対側の表面に位置することを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体受光装置。
  7. 前記半導体構造はキャリア増倍層（４３）を含み、前記半導体受光装置はアバランシェフォトダイオード（１７０）であることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体受光装置。
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