JP5432060B2

JP5432060B2 - アバランシェフォトダイオード

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Publication number: JP5432060B2
Application number: JP2010112971A
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Inventors: 允洋名田; 好史村本; 直輝重川
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Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-05-17
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Description

本発明は、アバランシェ現象を利用したアバランシェフォトダイオードに関する。

Ｐｉｎ型フォトダイオードに比較して高いＳ／Ｎ比が得られる高速・高感度なフォトダイオードとして、アバランシェフォトダイオードがあり、光通信の受光素子として用いられている。アバランシェフォトダイオードは、アバランシェ現象を利用することで、光電変換した電子を増幅する機能を備えたフォトダイオードである。

アバランシェ現象は、生成された電子ならびに正孔が、電圧により加速されて格子位置原子に衝突し、この衝突により二次電子ならびに正孔が生じ、生じた二次電子および正孔がさらに電圧で加速され、また格子原子と衝突して電子正孔対を生むことが連鎖的に発生する現象である。アバランシェフォトダイオードでは、半導体光吸収層にバンドギャップ以上のエネルギーを有する波長の光を入射することで生成した電子ならびに正孔を、上述したアバランシェ現象により倍増させる。

このように、アバランシェフォトダイオードは、素子自体が電流の増幅機能を有しているといえる。一般的なフォトダイオードは、量子効率が最高で１００％であるのに対し、アバランシェフォトダイオードは、アバランシェ効果により電子または正孔を増倍させるため、１００％以上の量子効率が可能である。

また、一般的なフォトダイオードとの構造上の相違点として、アバランシェフォトダイオードは、図９に示すように、ｎ型層９０１，光吸収層９０４，ｐ型層９０５に加え、増倍層９０２および電界制御層９０３を備えている。ここで、素子内で光電子を電界により加速してアバランシェ増幅を起こすためには、アバランシェ効果を生じさせる部位のイオン化率が高く、またアバランシェ効果を生じさせる部位に高い電界がかかることが要求される。このため、一般的なアバランシェフォトダイオードにおいては、光吸収層９０４と増倍層９０２は分離し、増倍層９０２は、例えばＩｎＰやＩｎＡｌＡｓなどのイオン化率の高い材料から構成する。また、光吸収層９０４と増倍層９０２の間に電界制御層９０３を挟むことで、増倍層９０２にかかる電圧を制御し、選択的に増倍層９０２に高電圧がかかるように設計されている。

アバランシェフォトダイオードでは光吸収層９０４に、例えば１．５５μｍや１．３μｍなどの波長の光通信用の光を入射することで、光吸収層９０４内で電子正孔対を生じさせる。上記の一般例においては、増倍層９０２を構成するＩｎＰは、電子より正孔の方がイオン化率が高いため、実効キャリアを正孔としてアバランシェフォトダイオードを作製する方が一般的である。しかしこの場合においては、正孔の移動度が遅いため、高周波に対応するアバランシェフォトダイオードの作製は困難であった。これに対し、ＩｎＰからなる増倍層に対して電子注入する構造が提案されている（非特許文献１参照）。この構成とすることで、電子が実効キャリアとなり、高周波に対応させることが可能となる。

また、一般的に、アバランシェフォトダイオードにおいて、光電流が検出され始めるオン電圧（Ｖ_on）以上の電圧において、増倍層に入射する電子は増倍され始め、この増倍率は印加電圧に依存して緩やかに上昇する。しかし、アバランシェブレークダウン電圧（Ｖ_b）以上の電圧においては、暗電流が共に爆発的に増大するため、フォトダイオードとしては機能しない。このため、アバランシェフォトダイオードの動作領域としては、Ｖ_bを超えない程度にできるだけ高い電圧をかけて使用することが一般的である。

従って、アバランシェフォトダイオードの動作には、Ｖ_bが制御できるようにすることが重要となる。Ｖ_bの値は、電界制御層のキャリア面密度や増倍層／電界制御層ヘテロ界面の急峻性に支配されている。

図１０は、ドーパントが拡散していない状態でのＶ_b電圧を基準としたＶ_b変化量の、ｐドープ電界制御層におけるドーパントの拡散長依存性の計算結果を示す特性図である。図１０から分かるように、ドーパントの拡散長に依存してＶ_b電圧が変化している。これは、Ｖ_b電圧が安定であるように設計するためには、ドーパントの拡散領域を安定的に形成する必要があることを示している。

しかし、Ｚｎの拡散係数が大きいため、制御性の良いドーピングが困難であり、Ｚｎをドープしてｐ型としたＩｎＰより電界制御層を形成したのでは、増倍層／電界制御層の急峻なヘテロ界面の作製は困難であり、Ｖ_bを安定させることは困難である。

また、Ｖ_bおよびＶ_onは、電界制御層におけるキャリアの面密度にも依存する。図１１は、Ｖ_onとＶ_bの電界制御層におけるキャリアの面密度依存性を示す特性図である。図１１に示すように、キャリアの面密度が変化することによって、Ｖ_b、Ｖ_onともに大きく変化していることが分かる。しかし、Ｚｎをドーパントとして用いる場合、Ｚｎの水素化による問題があるため、この点でも、制御性の良いドーピングならびに急峻なヘテロ界面の作製は困難であり、Ｖ_bおよびＶ_onを安定させることは困難である。

以上に説明したように、実効キャリアを電子としたアバランシェフォトダイオードにおいては、電界制御層のドーピング条件として、電界制御層の膜厚ならびにドーピング濃度において高い制御性が要求されるが、ドーパントとしてＺｎを用いると、上記要求条件を満たすことが困難であったことが分かる。

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上述したように、アバランシェフォトダイオードにおけるＶ_onやＶ_bといった、安定的な動作上最も重要なパラメータは、アバランシェフォトダイオードのエピタキシャル構造内の電界制御層のドーピング状態に大きく左右される。実効キャリアを電子としたアバランシェフォトダイオードにおいては、電界制御層はｐ型半導体で形成されるが、このドーパントとして広く用いられるＺｎは拡散係数が高く、ドーピングコントロールは困難である。このため、拡散したＺｎにより、急峻でないヘテロ界面が形成され、また、Ｚｎの水素化によってＶ_b，Ｖ_onが変動し、結果としてアバランシェフォトダイオードの信頼性、歩留まりを低下させるという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電子を実効キャリアとする電界制御層を用いたアバランシェフォトダイオードにおいて、所望とするアバランシェブレークダウン電圧が安定して得られるようにすることを目的とする。

本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、基板の上に形成された、ｎ型の半導体からなる第１半導体層、アンドープの半導体からなる増倍層、ｐ型の半導体からなる電界制御層、半導体からなる光吸収層、およびｐ型の半導体からなる第２半導体層からなる積層構造と、第２半導体層の上に形成された第１電極と、第１半導体層に形成された第２電極とを少なくとも備え、第１半導体層の側より、増倍層、電界制御層、光吸収層、および第２半導体層は、これらの順に配置され、光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層，増倍層，電界制御層，および第２半導体層は、光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層，電界制御層，および第２半導体層は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層は、第１半導体層および第２半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされ、電界制御層は、アンチモンを含む化合物半導体から構成されて炭素を不純物として導入することでｐ型とされている。

上記アバランシェフォトダイオードにおいて、電界制御層は、アンチモンに加えてインジウムを含んで構成された化合物半導体から構成されていてもよい。また、電界制御層は、アンチモンおよびインジウムに加えてアルミニウムを含んで構成された化合物半導体から構成されていてもよい。

上記アバランシェフォトダイオードにおいて、第１半導体層は基板の側に配置され、増倍層と第１半導体層との間に配置されて不純物を導入することで形成されたｎ型領域を備える第３半導体層を備え、ｎ型領域は、増倍層の形成領域内に配置されて増倍層より小さい面積に形成されているようにしてもよい。また、第２半導体層は基板の側に配置され、第１半導体層は、増倍層の形成領域内に配置されて増倍層より小さい面積に形成されているようにしてもよい。また、電界制御層の伝導帯端は、増倍層の伝導帯端より高い状態とされているとよい。

以上説明したように、本発明によれば、電界制御層は、アンチモンを含む化合物半導体から構成されて炭素を不純物として導入することでｐ型とされているようにしたので、電子を実効キャリアとする電界制御層を用いたアバランシェフォトダイオードにおいて、所望とするアバランシェブレークダウン電圧が安定して得られるようなる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図３は、本発明の実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードのエネルギーバンド状態を示すバンド図である。図４は、本発明の実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図５は、本発明の実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードのエネルギーバンド状態を示すバンド図である。図６は、本発明の実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図７は、増倍層７０３の伝導帯端より電界制御層７０４の伝導帯端の方が高い状態のアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図８は、増倍層７０３の伝導帯端より電界制御層７０４の伝導帯端の方が高い状態のアバランシェフォトダイオードのエネルギーバンド状態を示すバンド図である。図９は、アバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図１０は、ドーパントが拡散していない状態でのＶ_b電圧を基準としたＶ_b変化量の、ｐドープ電界制御層におけるドーパントの拡散長依存性の計算結果を示す特性図である。図１１は、Ｖ_onとＶ_bの電界制御層におけるキャリアの面密度依存性を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。このアバランシェフォトダイオードは、例えば、基板１０１の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成されたアンドープの半導体からなる増倍層１０３と、増倍層１０３の上に形成されたｐ型の半導体からなる電界制御層１０４と、電界制御層１０４の上に形成された半導体からなる光吸収層１０５と、光吸収層１０５の上に形成されたｐ型の半導体からなる第２半導体層１０６と、第２半導体層１０６の上に形成された第１電極１０７と、第１半導体層１０２に形成された第２電極１０８とを少なくとも備える。加えて、電界制御層１０４は、アンチモン（Ｓｂ）を含む化合物半導体から構成されて炭素（Ｃ）を不純物として導入することでｐ型とされている。

ここで、光吸収層１０５は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層１０２，増倍層１０３，電界制御層１０４，および第２半導体層１０６は、光吸収層１０５を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層１０５は、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。

例えば、基板１０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１半導体層１０２は、高濃度に不純物が導入されたｎ型のＩｎＰ（ｎ⁺−ＩｎＰ）から構成されていればよい。また、増倍層１０３は、アンドープのＩｎＰから構成されていればよい。また、電界制御層１０４は、Ｃを不純物として導入することでｐ型としたＧａＡｓＳｂから構成されていればよい。例えば、Ａｓ：Ｓｂの組成比がＡｓ：５０％，Ｓｂ:５０％とされたＧａＡｓＳｂから構成されていればよい。この組成比とすることで、ＩｎＰの（００１）面およびＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓに格子整合する（非特許文献２参照）。

また、光吸収層１０５は、アンドープのＩｎＧａＡｓより構成されていればよい。光吸収層は、例えば、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓから構成すれば、１．５５μｍ帯光通信に対応させ、かつ他の構成層との格子整合性を得ることができる。また、第２半導体層１０６は、高濃度に不純物が導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰ）から構成されていればよい。

なお、増倍層１０３，電界制御層１０４，光吸収層１０５，および第２半導体層１０６は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、よく知られたメサ構造とされている。

ここで、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードは、所謂下面入射型であり、基板１０１の側より入射して光吸収層１０５を抜けてきた入射光は、第１電極１０７で反射し、再び光吸収層１０５に戻る。この構造の場合、光吸収層１０５と反射層を兼ねる第１電極１０７との間に、基板１０１のような各半導体層よりも非常に厚みのある物体が入らない。このため、たとえ第１電極１０７によって反射光が広がったとしても、光吸収層１０５に到達するまでの広がりは極わずかで済み、ほとんどの光は光吸収層１０５に再び戻っていく。このため、下面入射型とすることで、受光部を小さくしても光電変換効率の低下を抑えることが可能となる。

ここで、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１０１上に、Ｓｉを不純物としてドーピングしたｎ型のＩｎＰ（第１半導体層１０２）、アンドープのＩｎＧａＡｓＰ（増倍層１０３）、Ｃを不純物としてドーピングしたｎ型のＧａＡｓＳｂ（電界制御層１０４）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（光吸収層１０５）、およびＺｎを不純物としてドーピングしたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（第２半導体層１０６）をエピタキシャル成長により順次堆積する。これらは、よく知られたＭＯＶＰＥ法により形成すればよい。

次に、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層の上に、第１電極１０７を形成する。例えば、第１電極１０７となる領域に開口部を備えるレジストマスクパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法により、白金層／チタン層／金層の３層積層膜を形成する。この後、レジストマスクパターンを除去すれば、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層（第２半導体層１０６）にオーミック接続する第１電極１０７が形成できる。これは、所謂リフトオフ法と呼ばれる製造方法である。

次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（ウエットエッチング）により、上述したアンドープのＩｎＧａＡｓＰ，ｎ型のＧａＡｓＳｂ，アンドープのＩｎＧａＡｓ，およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層をパターニングし、所望の形状（メサ形状）とした増倍層１０３，電界制御層１０４，光吸収層１０５，第２半導体層１０６を形成する。この後、上記パターニングにより露出した第１半導体層１０２の上に、第２電極１０８を形成する。第２電極１０８は、チタン層／白金層／金層の３層構造とする。第１電極１０７と同様に、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法とにより第２電極１０８を形成すればよい。

以下、本実施の形態における電界制御層１０４について説明する。電界制御層１０４をｎ型とするためのドーパントとして用いるＣは、Ｚｎなどの他のドーパントと比較して拡散係数が小さく、急峻なヘテロ界面を作製することが可能であるという利点を持っている（非特許文献３参照)。しかし、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓにドーピングしたＣは、水素化しやすいなどの問題がある。また。Ｃは、成長条件によってＩＩＩ族サイトおよびＡｓのどちらに対しても置換し、結果としてｎ型にもｐ型にもなり得る。このため、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓに対するＣは、ドーピング制御性が困難なものとなっている。

これに対し、ＧａＡｓＳｂなどのＳｂを含む化合物半導体にドーピングしたＣは、高い選択性でＳｂサイトを置換し、１価のアクセプタとして働くことが知られており、またＳｂを置換したＣは、水素化が起こりにくいことが知られている（非特許文献４）。従って、Ｓｂを含む化合物半導体の場合、Ｃをドーピングしてｐ型とすれば、ドーパントの拡散領域が安定した状態に形成できるようになる。これらのことより、電界制御層１０４として、ＧａＡｓＳｂなどのＳｂを含む化合物半導体を採用することにより、急峻な増倍層/電界制御層ヘテロ界面が作製でき、またドーパントの水素化による劣化が抑制できるようになる。この結果、本実施の形態によれば、所望とするアバランシェブレークダウン電圧が安定して得られるようになる。また、光電流が検出され始めるオン電圧を安定させることができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本発明の実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。このアバランシェフォトダイオードは、例えば、基板１０１の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成されたアンドープの半導体からなる増倍層１０３と、増倍層１０３の上に形成されたｐ型の半導体からなる電界制御層２０４と、電界制御層２０４の上に形成された半導体からなる光吸収層１０５と、光吸収層１０５の上に形成されたｐ型の半導体からなる第２半導体層１０６と、第２半導体層１０６の上に形成された第１電極１０７と、第１半導体層１０２に形成された第２電極１０８とを少なくとも備える。

ここで、光吸収層１０５は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層１０２，増倍層１０３，電界制御層２０４，および第２半導体層１０６は、光吸収層１０５を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層１０５は、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。

例えば、基板１０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１半導体層１０２は、高濃度に不純物が導入されたｎ型のＩｎＰ（ｎ⁺−ＩｎＰ）から構成されていればよい。また、増倍層１０３は、アンドープのＩｎＰから構成されていればよい。

また、光吸収層１０５は、アンドープのＩｎＧａＡｓより構成されていればよい。光吸収層は、例えば、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓから構成すれば、１．５５μｍ帯光通信に対応させることができる。また、第２半導体層１０６は、高濃度に不純物が導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰ）から構成されていればよい。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。本実施の形態２では、電界制御層２０４を、Ｃを不純物として導入することでｐ型としたＩｎＧａＡｓＳｂから構成する。このようにすることで、図３の（ｂ）のバンド図に示すように、電界制御層２０４の伝導帯端と光吸収層１０５の伝導帯端との差（バンドオフセット３０１）をより小さくすることができる。なお、図３は、バイアス電圧を印加した動作状態のアバランシェフォトダイオードにおけるエネルギーバンドの状態を示している。

図３の（ａ）に示すように、ＧａＡｓＳｂからなる電界制御層１０４の伝導帯端は、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層１０５の伝導帯端よりも高く位置し、これらの間のバンドオフセットは０．３７ｅＶと大きい（非特許文献５参照）。このため、前述した実施の形態１の構成では、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層１０５で生じた光電子が、ＧａＡｓＳｂからなる電界制御層１０４によりブロックされる可能性がある。

これらの構成に対し、ＩＩＩ族元素としてＩｎを添加したＩｎＧａＡｓＳｂから電界制御層２０４を構成することで、電界制御層２０４の伝導帯端を下げることができる。このようにすることで、電界制御層/光吸収層間の伝導帯オフセットを緩和できる。

ところで、前述した実施の形態１および本実施の形態２においても、増倍層の伝導帯端に対して電界制御層の伝導帯端の方が高い状態となっている。このようにすることで、電界制御層から増倍層への界面で入射電子を加速させ、一定の外部電界強度下における「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」を短くし、アバランシェフォトダイオードの性能を向上させることができる。

ここで、「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」について説明する。アバランシェ効果が生じるためには、光吸収層で生成された電子が、増倍層内の電界によって加速され、この運動エネルギーが増倍層を構成する半導体のイオン化の閾値エネルギーを超えることが条件となる。このアバランシェ効果が生じるまでの電子の走行距離を「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」が呼ばれている。高速・高利得のアバランシェフォトダイオードを実現するためには、「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」を短くする必要がある。

しかし、「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」は、材料（半導体）のイオン化閾値エネルギーと増倍層に印加されている電界強度によって支配されているため、一定の電界強度で動作させることを前提としたアバランシェフォトダイオードにおいては「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」を任意に変化させることは容易ではない。

このように、増倍層内の「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」は、アバランシェフォトダイオードの性能を左右する重要なパラメータであるが、「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」は材料のイオン化閾値エネルギーと電界強度によって支配されるため、任意に制御することは困難である。これに対し、前述したように、増倍層に接した電界制御層に伝導帯端が増倍層の伝導帯端よりも高い材料を用いれば、増倍層の界面で入射電子を加速させ、一定の外部電界強度下における「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」を短くし、アバランシェフォトダイオードの性能を向上させることができる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図４は、本発明の実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。このアバランシェフォトダイオードは、例えば、基板１０１の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成されたアンドープの半導体からなる増倍層１０３と、増倍層１０３の上に形成されたｐ型の半導体からなる電界制御層４０４と、電界制御層４０４の上に形成された半導体からなる光吸収層１０５と、光吸収層１０５の上に形成されたｐ型の半導体からなる第２半導体層１０６と、第２半導体層１０６の上に形成された第１電極１０７と、第１半導体層１０２に形成された第２電極１０８とを少なくとも備える。

ここで、光吸収層１０５は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層１０２，増倍層１０３，電界制御層４０４，および第２半導体層１０６は、光吸収層１０５を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層１０５は、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。本実施の形態３では、電界制御層４０４を、Ｃを不純物として導入することでｐ型としたＩｎＧａＡｓＡｌＳｂから構成する。このようにすることで、図５の（ｂ）のバンド図に示すように、電界制御層４０４の価電子帯端と光吸収層１０５の価電子帯端との差（バンドオフセット３０１）をより小さくすることができる。なお、図５は、バイアス電圧を印加した動作状態のアバランシェフォトダイオードにおけるエネルギーバンドの状態を示している。

図５の（ａ）に示すように、ＧａＡｓＳｂからなる電界制御層１０４の価電子帯端は、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層１０５の価電子帯端よりも低く位置し、これらの間のバンドオフセットは０．３７ｅＶと大きい。このため、前述した実施の形態の構成では、増倍層で生じた正孔が、電界制御層を経て光吸収層でブロックされる可能性がある。

これらの構成に対し、ＩＩＩ族元素としてＩｎに加えてＡｌを添加したＩｎＧａＡｓＡｌＳｂから電界制御層４０４を構成することで、電界制御層４０４の価電子帯端を下げ、電界制御層４０４の価電子帯端と光吸収層１０５および増倍層１０３の価電子帯端との差（バンドオフセット５０１）を小さくする（なくす）ことができる。このようにすることで、増倍層／電界制御層/光吸収層間の価電子帯オフセットを緩和でき、増倍層で生じた正孔が、より円滑に光吸収層に到達できるようになる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図６は、本発明の実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。このアバランシェフォトダイオードは、例えば、基板１０１の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成されたアンドープの半導体からなる増倍層１０３と、増倍層１０３の上に形成されたｐ型の半導体からなる電界制御層１０４と、電界制御層１０４の上に形成された半導体からなる光吸収層１０５と、光吸収層１０５の上に形成されたｐ型の半導体からなる第２半導体層１０６と、第２半導体層１０６の上に形成された第１電極１０７と、第１半導体層１０２に形成された第２電極１０８とを少なくとも備える。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。本実施の形態４では、増倍層１０３と第１半導体層１０２との間に配置されて不純物を導入することで形成されたｎ型領域６１１を備える第３半導体層６１０を備える。ｎ型領域６１１は、増倍層１０３の形成領域内に配置されて増倍層１０３より小さい面積に形成されている。第３半導体層６１０は、例えば、ＩｎＰから構成されていればよい。また、ｎ型領域６１１は、例えば、Ｓｉを不純物として導入することでｎ型とされていればよい。ｎ型領域６１１は、イオン注入法および拡散法により形成すればよい。

本実施の形態によれば、ｎ型領域６１１を増倍層１０３より小さい面積としたので、増倍層１０３にかかる電圧を面方向に対して狭く集中することができ、結果としてアバランシェフォトダイオードの動作に必要な電界、すなわちオン電圧Ｖ_onを小さくすることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、電界制御層としてＳｂ系材料を採用し、拡散係数の小さいＣのドーピングによりｐ型としたので、急峻な半導体界面を作成することができ、半導体界面への不純物拡散のＶ_bに及ぼす影響を抑制できる。また、Ｓｂサイトを置換したＣは、水素化の影響を受け難いため、Ｖ_bやＶ_on等への特性変化が抑制できる。結果として、広帯域・高利得でありかつ高い信頼性を持ち、高歩留まりなアバランシェフォトダイオードが得られるようになる。

ところで、増倍層における「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」の短縮化の観点では、電界制御層をアンチモンが含まれる化合物半導体から構成して炭素を不純物として導入する必要はない。例えば、図７に示すように、例えば、半絶縁性のＩｎＰから構成された基板７０１の上に形成されたｎ⁺−ＩｎＰからなる第１半導体層７０２と、第１半導体層７０２の上に形成されたアンドープのＩｎＰからなる増倍層７０３と、増倍層７０３の上に形成されたｐ型のＩｎＡｌＡｓからなる電界制御層７０４と、電界制御層７０４の上に形成されたＩｎＧａＡｓからなる光吸収層７０５と、光吸収層７０５の上に形成されたｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＡｌからなる第２半導体層７０６と、第２半導体層７０６の上に形成された第１電極７０７と、第１半導体層７０２に形成された第２電極７０８とで、アバランシェフォトダイオードを構成してもよい。電界制御層７０４を構成するＩｎＡｌＡｓは、例えば、Ｚｎをドープすることでｐ型とすればよい。

なお、光吸収層７０５は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層７０２，増倍層７０３，電界制御層７０４，および第２半導体層７０６は、光吸収層７０５を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層７０２および第２半導体層７０６は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層７０５は、第１半導体層７０２および第２半導体層７０６よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。

上述したアバランシェフォトダイオードによれば、図８のバンド図に示すように、増倍層７０３の伝導帯端より電界制御層７０４の伝導帯端の方が高い状態となる。アバランシェフォトダイオードでは、光吸収層７０５において光励起された電子は、電界制御層７０４の伝導帯に移り、電界制御層/増倍層間の伝導帯端オフセットにより加速され、増倍層７０３に注入される。このとき、図８に示すバンド構造とすることで、電界制御層/増倍層のバンドが連続である構造と比較して、電子は高いエネルギーをもって増倍層７０３に入射するため、より短い「ｄｅａｄｓｐａｃｅ」を経た後で、増倍層７０３内で原子をイオン化させることができるようになる。結果として、アバランシェフォトダイオードの利得が大きくなり、帯域を広くすることができ、性能を向上させることができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、増倍層としてＩｎＰを用いて説明したが、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＡｓなどの他の半導体材料でもよく、またＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓなどの超格子構造を有する増倍層でもよい。また、各層の形成に有機金属気相成長法を用いたが、分子線エピタキシー法などの他の結晶成長方法を用いてもよい。

また、実施の形態４で説明したｎ型領域６１１を備える第３半導体層６１０の構成は、実施の形態２および実施の形態３のアバランシェフォトダイオードに組み合わせてもよい。また、上述した実施の形態では、下面入射型を例に説明したが、これに限るものではなく、基板の反対側より光が入射する構成としてもよいことはいうまでもない。

また、上述した実施の形態では、基板の側にｎ型の半導体からなる第１半導体層が配置される場合について説明したが、これに限るものではなく、基板の側にｐ型の半導体からなる第２半導体層が配置されるようにしてもよい。この場合、基板の側より、第２半導体層、光吸収層、電界制御層、増倍層、および第１半導体層が、これらの順に積層されることになる。いずれにしても、第１半導体層の側より、増倍層、電界制御層、光吸収層、および第２半導体層が、これらの順に配置されていればよい。

なお、基板の側にｐ型の半導体からなる第２半導体層が配置される場合、第１半導体層を、増倍層の形成領域内に配置されて増倍層より小さい面積に形成することで、増倍層にかかる電圧を面方向に対して狭く集中することができ、実施の形態４と同様の効果が得られる。

１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３…増倍層、１０４…電界制御層、１０５…光吸収層、１０６…第２半導体層、１０７…第１電極、１０８…第２電極。

Claims

基板の上に形成された、ｎ型の半導体からなる第１半導体層、アンドープの半導体からなる増倍層、ｐ型の半導体からなる電界制御層、半導体からなる光吸収層、およびｐ型の半導体からなる第２半導体層からなる積層構造と、
前記第２半導体層の上に形成された第１電極と、
前記第１半導体層に形成された第２電極と
を少なくとも備え、
前記第１半導体層の側より、前記増倍層、前記電界制御層、前記光吸収層、および前記第２半導体層は、これらの順に配置され、
前記光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、
前記第１半導体層，増倍層，電界制御層，および前記第２半導体層は、前記光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、
前記第１半導体層，電界制御層，および前記第２半導体層は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、
前記光吸収層は、前記第１半導体層および前記第２半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされ、
前記電界制御層は、アンチモンを含む化合物半導体から構成されて炭素を不純物として導入することでｐ型とされている
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
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、
前記電界制御層は、アンチモンに加えてインジウムを含んで構成された化合物半導体から構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。
請求項２記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記電界制御層は、アンチモンおよびインジウムに加えてアルミニウムを含んで構成された化合物半導体から構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。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記第１半導体層は前記基板の側に配置され、
前記増倍層と前記第１半導体層との間に配置されて不純物を導入することで形成されたｎ型領域を備える第３半導体層を備え、
前記ｎ型領域は、前記増倍層の形成領域内に配置されて前記増倍層より小さい面積に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。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記第２半導体層は前記基板の側に配置され、
前記第１半導体層は、前記増倍層の形成領域内に配置されて前記増倍層より小さい面積に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。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記電界制御層の伝導帯端は、前記増倍層の伝導帯端より高い状態と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。