JP5433948B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体受光素子に関し、特に、高周波特性に優れた半導体受光素子に関するものである。

半導体受光素子には、様々な種類があるが、その中でも、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diodes）は、増倍機能を内蔵し、受光感度が高い素子である。

なお、ＡＰＤはおおまかに、作製される材料がＳｉか、化合物半導体か、で分類することが可能である。なお、化合物半導体を用いた素子の中では、基板としてＧａＡｓを用いるか、ＩｎＰを用いるかで分類することが可能であり、また、構造に関しては、プレーナ型であるか、メサ型であるかで分類することが可能である。

また、その層構成とキャリア増倍の原理構成との違いから、電子増倍型とホール増倍型とに分類することが可能である。

なお、化合物半導体を用い、プレーナ構造で且つ、電子増倍型の構造の半導体受光素子について、図１を参照しながら説明する。

プレーナ構造で且つ、電子増倍型の構造の半導体受光素子は、図１に示すように、化合物半導体のＩｎＰ半導体基板（１）上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）、ｐ型光吸収層（３）、ｉ型光吸収層（４）、電界緩和層（５）、増倍層（６）、エッチングストップ層（７）、ｎ型バッファ層（８）、ｎ型コンタクト層（９）を順に積層し、受光部の周辺において、ｎ型コンタクト層（９）と、ｎ型バッファ層（８）と、をエッチングストップ層（７）に達するまで除去し、Ｔｉイオンを注入し、ガードリング（１１）を形成し、また、ガードリング（１１）の周辺部に対し、Ｚｎ拡散を行い、Ｚｎ拡散層（１０）を形成し、その形成したＺｎ拡散層（１０）の上部に対し、ｐ型電極（１３）を形成し、ｎ型コンタクト層（９）の上部に対し、ｎ型電極（１２）を形成することになる。

この図１に示す半導体受光素子に対し、信号光を入射させ、得られた光電流を最適増倍率Ｍ（Ｍ＝１０前後）にて増倍させるようにバイアス電圧を調節すると、その増幅機能により、ｐ−ｉ−ｎ型半導体受光素子よりも高い受信感度を有する光受信機を構築することが可能となる。

この図１に示す半導体受光素子と、最適な受信回路と、を組み合わせることで、１０Ｇｂ／ｓの高速応答のＡＰＤ受信機を製造することが可能となる。

なお、図１に示す半導体受光素子のように、化合物半導体のＩｎＰ半導体基板を用い、プレーナ構造で且つ、電子増倍型の構造の素子が開示された文献がある（例えば、非特許文献１参照）。

上記非特許文献１に開示されている素子は、まず、半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層、ｐ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｐ−ＩｎＰ電界緩和層、超格子増倍層、ｎ−ＩｎＰエッチングストップ層、ｎ−ＩｎＡｌＡｓキャップ層、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を順に積層し、次に、受光部を取り囲むようにリング状に、ｎ−ＩｎＡｌＡｓキャップ層を除去し、Ｔｉイオンを注入し、その周辺部に対し、Ｚｎ拡散領域を設け、そのＺｎ拡散領域の上部に対し、ｐ型電極を設けて構成することになる。

また、本発明より先に出願された特許文献として、半絶縁性半導体基板もしくは高濃度の第１導伝型半導体基板上に、高濃度の第１導伝型半導体バッファ層を介して、低濃度第１導伝型半導体光吸収層と、第１導伝型半導体電界緩和層と、超格子増倍層と、高濃度の第２導伝型半導体キャップ層と、高濃度の第２導伝型半導体コンタクト層とを順次積層した超格子アバランシェフォトダイオードにおいて、受光に供する領域の周囲の領域に、表面より少なくとも前記第１導伝型半導体電界緩和層より深い位置まで選択的に形成した第１導伝型化領域を有し、かつ、前記第１導伝型化領域と高濃度第２導伝型半導体コンタクト層及び高濃度第２導伝型半導体キャップ層が接しないように、その境界領域に前記高濃度第２導伝型半導体コンタクト層と高濃度第２導伝型半導体キャップ層の厚さに相当する深さの分離溝構造を有し、メサ型ｐｎ接合フォトダイオードで問題となる表面リーク暗電流を低減し低暗電流で信頼性の高い超格子アバランシェフォトダイオードを実現した超格子アバランシェフォトダイオードが開示された文献がある（例えば、特許文献１参照）。
特許第２７６２９３９号公報 "A New planar-Structure InAlGaAs-InAlAs Superlattice Avalanche Photodiode with a Ti-Implanted Guard-Ring", I. Watanabe, et at all, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS， VOL．8, NO． 6, JUNE 1996

なお、上述した図１に示す半導体受光素子のように、化合物半導体のＩｎＰ半導体基板（１）を用い、擬似プレーナ型で、且つ、電子増倍型のＡＰＤを形成することで、高速・高感度な半導体受光素子を構築することが可能となる。

しかしながら、図１に示す半導体受光素子に対し、非常に高い光を入力させた場合に、素子の応答が劣化する虞があることが判明した。

光の弱い状態で、ＡＰＤにバイアスをかけておき、高いレベルの光を入力させた場合、通常、増倍率Ｍが小さくなって安定した状態になる。しかしながら、素子においては、ある一定の確率において、初期特性の劣化、特に、暗電流が増加する現象や、ショート故障が発生する事例がある。これは、素子内部のｐ−ＩｎＰバッファ層（２）を電流が面内方向に流れる際に、電流集中が発生し、局所的な熱が発生するためと考えられる。

なお、上記非特許文献１には、図１に示す半導体受光素子のように、化合物半導体のＩｎＰ半導体基板を用い、プレーナ構造で且つ、電子増倍型の構造の素子と同様な技術について開示されているが、本願発明のように、非常に高い光を入力させた場合に、素子の応答が劣化する点については何ら考慮されたものではない。また、上記特許文献１には、半絶縁性半導体基板もしくは高濃度の第１導伝型半導体基板上に、０．５〜１．０μｍ程度の層厚の高濃度の第１導伝型半導体バッファ層を形成する点については開示されているが、非常に高い光を入力させた場合に、素子の応答が劣化する点については何ら考慮されたものではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＩｎＰ半導体基板上に、擬似プレーナ型と、電子増倍型と、の構造を有する半導体受光素子において、局所的な熱の発生を抑制し、高光入力時も高速・高感度特性を有し、光入力耐性の高い半導体受光素子を提供することを目的とするものである。

かかる目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有することとする。

本発明にかかる半導体受光素子は、ＩｎＰ半導体基板と、前記ＩｎＰ半導体基板上に形成された３元組成の材料からなる光吸収層と、前記光吸収層の上部に形成された増倍層と、前記増倍層を含む領域に形成されたガードリングと、前記ＩｎＰ半導体基板と前記光吸収層との間に形成された、４元組成の材料からなる４元バッファ層と前記４元バッファ層の中に形成される結晶品質回復層と、を有し、前記光吸収層の最上端と前記結晶品質回復層の最上端との間の幅が、１.５μｍ以下であることを特徴とする半導体受光素子。

本発明によれば、ＩｎＰ半導体基板上に、擬似プレーナ型と、電子増倍型と、の構造を有する半導体受光素子において、局所的な熱の発生を抑制し、高光入力時も高速・高感度特性を有し、光入力耐性の高い半導体受光素子を形成することが可能となる。

まず、図２、図３を参照しながら、本実施形態における半導体受光素子の特徴について説明する。

本実施形態における半導体受光素子は、図２に示すように、ＩｎＰ半導体基板（１）上に光吸収層（３、４）が形成されてなる半導体受光素子であって、ＩｎＰ半導体基板（１）と、光吸収層（３、４）と、の間に、４元組成の材料を含む４元バッファ層（２１）が形成されてなることを特徴とするものである。

また、本実施形態における半導体素子は、図３に示すように、ＩｎＰ半導体基板（１）上に光吸収層（３、４）が形成されてなる半導体受光素子であって、ＩｎＰ半導体基板（１）と、光吸収層（３、４）と、の間に、電流分布の分散を行う電流分散層（３１）が形成されてなることを特徴とするものである。以下に示す２元組成材料の定義として、２元組成材料は、２元素から組成された材料として扱う。これに製造上混入しえる不純物、特段影響しないものは、構成元素として数えないものとする。３元組成材料、４元組成材料も同様とする。

このように、本実施形態における半導体受光素子は、ＩｎＰ半導体基板（１）と、光吸収層（３、４）と、の間に形成されるｐ型バッファ層の構造において、半導体素子の特性を維持する機能と、熱が集中しない機能と、を両立させる構造の層を形成する。具体的には、従来、一定濃度のｐ−ＩｎＰで構成されていたｐ型バッファ層において、図２に示すように、４元組成の材料を含む４元バッファ層（２１）を配置する。また、図３に示すように、電流分布の分散を行う電流分散層（３１）を配置する。これにより、局所的な熱の発生を抑制し、高光入力時も高速・高感度特性を有し、光入力耐性の高い半導体受光素子を形成することが可能となる。以下、添付図面を参照しながら、本実施形態における半導体受光素子について説明する。

（第１の実施形態）
まず、図２を参照しながら、本実施形態における半導体受光素子の構成について説明する。

本実施形態における半導体受光素子は、図２に示すように、ＩｎＰ半導体基板（１）と、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）と、ｐ型４元バッファ層（２１）と、ｐ型光吸収層（３）と、ｉ型光吸収層（４）と、電界緩和層（５）と、増倍層（６）と、エッチングストップ層（７）と、ｎ型バッファ層（８）と、ｎ型コンタクト層（９）と、を有して構成される。

本実施形態における半導体受光素子は、図２に示す層構造からなる半導体受光素子に対し、エッチングストップ層（７）に達するまで、受光部を取り囲むように、ｎ型コンタクト層（９）と、ｎ型バッファ層（８）と、を上部から除去し、Ｔｉイオンを注入し、ガードリング（１１）を形成する。また、ガードリング（１１）の周辺部に対し、Ｚｎ拡散を行い、受光部周辺に対し、Ｚｎ拡散層（１０）を設け、そのＺｎ拡散層（１０）を設けた上部に対し、ｐ型電極（１３）を設け、また、ｎ型コンタクト層（９）の上部に対し、ｎ型電極（１２）を設けることになる。

なお、本実施形態における半導体受光素子は、図２に示すように、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）は、ｐ型としたが、ｉ型や、ｎ型で構成することも可能である。

また、ｐ型４元バッファ層（２１）の材料としては、ＩｎＰに格子整合する組成のＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ、もしくは、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）を適用することが望ましい。

また、本実施形態におけるｐ型４元バッファ層（２１）は、受光部で発生したホールによる電流を損失することなく伝達できるようにすることが目的であるため、ｐ型４元バッファ層（２１）の層厚が厚く、濃度も高い方が望ましい。

例えば、ｐ型４元バッファ層（２１）の層厚：ｄ＝０．５μｍ以上に設定することで、電流の伝達効果を高めることが可能となる。

また、ｐ型４元バッファ層（２１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、ｐ型濃度を高くして電気伝導度を向上させるため、ＩｎＰ半導体基板（１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（ＩｎＰ）と比較して小さいほうが望ましい。しかしながら、裏面入射型の場合、信号光は、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）を通過することになるため、光の損失を発生させないように、ｐ型４元バッファ層（２１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、受光しようとする信号光の波長に相当するエネルギー：Ｅλと比較して大きい方が望ましい。従って、ｐ型４元バッファ層（２１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、次の関係式（１）を満たすことが望ましい。

関係式（１）：Ｅｇ（ＩｎＰ）＞Ｅｇ（Ｑ）＞Ｅλ
Ｅｇ（ＩｎＰ）：ＩｎＰ半導体基板（１）のバンドギャップエネルギー
Ｅｇ（Ｑ）：ｐ型４元バッファ層（２１）のバンドギャップエネルギー
Ｅλ：受光しようとする信号光の波長に相当するエネルギー

なお、信号光は、一般的には、１．３μｍ〜１．５５μｍの波長を用いるため、ｐ型４元バッファ層（２１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、関係式（１）：Ｅｇ（ＩｎＰ）＞Ｅｇ（Ｑ）＞Ｅλ（λ＝１．３μｍ）を満たすことが望ましい。

また、ｐ型４元バッファ層（２１）のｐ濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で低抵抗なバッファ層として機能することになるが、ｐ型光吸収層（３）と比較した場合でも低抵抗な条件であることが望ましい。

ｐ型４元バッファ層（２１）は、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）と比較し、約２×１０¹⁸ｃｍ^-3〜約１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲の不純物濃度の高い層を形成することが可能であるため、ｐ型光吸収層（３）の濃度を、１×１０¹⁸ｃｍ^-3と高めた場合でも、ｐ型光吸収層（３）と比較して抵抗率の低いバッファ層を形成することが可能となる。

次に、本実施形態の半導体受光素子のように、ｐ型４元バッファ層（２１）を用いた構造の場合に発生する課題と、その課題を解決するための解決方法について説明する。

ｐ型４元バッファ層（２１）を用いて半導体受光素子を構成した場合、ＩｎＰ半導体基板（１）に対して格子整合する材料のみを用いた場合でも、ＩｎＰのない層構造の部分が厚く構成されてしまうことになり、その上部に対し、ＡＰＤ構造を配置した場合には、光吸収層（３、４）や、増倍層（６）の結晶品質が劣化し、暗電流の増加を招くことになる。

なお、上述した結晶品質とは、純粋に暗電流の発生量の観点からみた良否で判定する品質であり、フォトルミネッセンスの強度や線幅、Ｘ線回折で評価した場合の信号強度や、半値幅等で評価したものではない。

この上述した課題を解決する方法としては、図４に示すように、３元層、４元層の連続部分に対し、２元材料（ＩｎＰ）を含む結晶品質回復層（２２）を形成し、３元層、４元層の連続部分を構成する層を分割し、３元層、４元層の連続量を小さくすることで解決することが可能となる。

３元層及び４元層が連続することによる結晶品質の劣化は、連続層厚が１．５μｍ程度から発生することになるため、３元層及び４元層の連続量が１．５μｍを限度として、３元層及び４元層の連続部分を構成する層に対し、２元材料（ＩｎＰ）を含む結晶品質回復層（２２）を形成することが望ましい。

なお、結晶品質回復層（２２）の層厚は、非常に薄い場合でも効果があり、１０ｎｍ以上から効果を発揮することが可能となる。

なお、結晶品質回復層（２２）の層厚を厚くすることにより、上述した効果は高まることになるが、１００ｎｍ以上になると回復効果は飽和し始めることになる。従って、結晶品質回復層（２２）の層厚を、１０ｎｍ以上〜１００ｎｍ以下の範囲で形成することが望ましいことになる。

また、光吸収層（３、４）の層厚が１．５μｍ以下の場合には、光吸収層（３、４）の最下部と、光吸収層（３、４）の最上部から１．５μｍ下側に位置する点と、の間に、結晶品質回復層（２２）を配置するように構成することで効果を発揮することになる。

例えば、光吸収層（３、４）を、組成：ＩｎＧａＡｓ，層厚：ｄ＝１．２μｍとし、ｐ型４元バッファ層（２１）の層厚：ｄ＝０．５μｍとすると、ｐ型４元バッファ層（２１）の最上部をＡ、ｐ型４元バッファ層（２１）の最上部から０．３μｍ下側に位置する点をＢとすると、ＡとＢとの間に結晶品質回復層（２２）を配置するように構成することが望ましいことになる。

また、光吸収層（３、４）の層厚：ｄ＝１．５μｍ以上の場合には、光吸収層（３、４）の内部に、結晶品質回復層（２２）を配置するか、もしくは、光吸収層（３、４）の最下端に配置することが望ましい。

なお、光吸収層（３、４）の内部に、結晶品質回復層（２２）を配置した場合には、ΔＥｖやΔＥｃといったバンド不連続量が大きい場合が多く、キャリアの走行を妨げることになるので、ΔＥｖやΔＥｃといったバンド不連続量を緩和するための層構造を結晶品質回復層（２２）の上下に配置するのが効果的である。これにより、キャリアの走行を阻害することを回避することが可能となる。なお、ΔＥｖやΔＥｃといったバンド不連続量を緩和するための層構造としては、電子の伝導帯と価電子帯とのそれぞれが、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰにあるような材料を適用して構成することになる。例えば、バンドギャップエネルギー：Ｅｇが光の波長換算で１．３μｍ組成の４元層（ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ）を適用したり、また、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの間に１．５μｍと１．３μｍと１．１μｍ組成の材料を連続して形成するなどしたりすることで、ΔＥｃ、ΔＥｖを効果的に緩和させることが可能となる。

また、結晶品質回復層（２２）からＩｎＰ半導体基板（１）側の層厚が、１．５μｍ以下となるように構成することで、結晶品質の劣化を回避することが可能となる。

（第１の実施形態の第１の実施例）
次に、図２を参照しながら、第１実施形態の半導体受光素子の第１の構成について説明する。

本実施形態における半導体受光素子は、図２に示すように、ＩｎＰ半導体基板（１）上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）、ｐ型４元バッファ層（２１）、ｐ型光吸収層（３）、ｉ型光吸収層（４）、電界緩和層（５）、増倍層（６）、エッチングストップ層（７）、ｎ型バッファ層（８）、ｎ型コンタクト層（９）を順に積層し、受光部の周辺において、ｎ型コンタクト層（９）と、ｎ型バッファ層（８）と、をエッチングストップ層（７）に達するまで除去し、Ｔｉイオンを注入し、ガードリング（１１）を形成する。そして、誘電体膜を形成したのち、ガードリング（１１）の周辺部に対し、Ｚｎ拡散を行い、Ｚｎ拡散層（１０）を形成し、その形成したＺｎ拡散層（１０）の上部に対し、ｐ型電極（１３）を形成し、ｎ型コンタクト層（９）の上部に対し、ｎ型電極（１２）を形成する。なお、ＩｎＰ半導体基板（１）の下部の入射面にはＡＲ（Anti Reflection）コートを施すことになる。

この図２に示す本実施形態における半導体受光素子は、化合物半導体基板となるＩｎＰ半導体基板（１）上に対し、不純物濃度の高いｐ型４元バッファ層（２１）を設けたことで、ｐ型光吸収層（３）で達した光キャリアに対応した電流が流れやすくなり、増倍率Ｍが小さい条件で、１０ｍＷ程度の光入力にも初期特性が劣化しない素子を形成することが可能となる。

（第１の実施形態の第２の実施例）
次に、図４を参照しながら、第１の実施形態の半導体受光素子の第２の構成について説明する。

本実施形態における半導体受光素子は、図４に示すように、ＩｎＰ半導体基板（１）上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）、ｐ型４元バッファ層（２１）、結晶品質回復層（２２）、ｐ型光吸収層（３）、ｉ型光吸収層（４）、電界緩和層（５）、増倍層（６）、エッチングストップ層（７）、ｎ型バッファ層（８）、ｎ型コンタクト層（９）を順に積層し、受光部の周辺において、ｎ型コンタクト層（９）と、ｎ型バッファ層（８）と、をエッチングストップ層（７）に達するまで除去し、Ｔｉイオンを注入し、ガードリング（１１）を形成する。そして、誘電体膜を形成したのち、ガードリング（１１）の周辺部に対し、Ｚｎ拡散を行い、Ｚｎ拡散層（１０）を形成し、その形成したＺｎ拡散層（１０）の上部に対し、ｐ型電極（１３）を形成し、ｎ型コンタクト層（９）の上部に対し、ｎ型電極（１２）を形成する。なお、ＩｎＰ半導体基板（１）の下部の入射面にはＡＲコートを施すことになる。

なお、ｐ型４元バッファ層（２１）は、組成：ＩｎＰに格子整合するＩｎＡｌＧａＡｓ，バンドギャップエネルギー：Ｅｇ＝光の波長で１．１μｍ相当,層厚：ｄ＝１．０μｍ，ｐ濃度：Ｎｄ＝５×１０¹⁸ｃｍ^-3で構成される。

また、結晶品質回復層（２２）は、組成：ｐ−ＩｎＰ，層厚：ｄ＝０．１μｍ,ｐ濃度：Ｎｄ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3で構成される。

また、ｐ型光吸収層（３）は、組成：ＩｎＧａＡｓ，層厚：ｄ＝０．５μｍ，ｐ濃度：Ｎｄ＝５×１０¹⁷ｃｍ^-3で構成される。

また、ｉ型光吸収層（４）は、組成：ＩｎＧａＡｓ，層厚：ｄ＝０．７μｍ，ｐ濃度：Ｎｄ＝５×１０¹⁵ｃｍ^-3で構成される。

この図４に示す本実施形態における半導体受光素子は、化合物半導体基板となるＩｎＰ半導体基板（１）上に対し、不純物濃度の高いｐ型４元バッファ層（２１）を設けたことで、ｐ型光吸収層（３）で達した光キャリアに対応した電流が流れやすくなり、増倍率Ｍが小さい条件で、１０ｍＷ程度の光入力にも初期特性が劣化しない素子を構成することが可能となる。特に、図４に示す半導体受光素子は、ｐ型４元バッファ層（２１）の層厚：ｄ＝１．０μｍと厚く形成したため、より高い効果を発揮することが可能となる。

また、図４に示す半導体受光素子は、ｐ型４元バッファ層（２１）及び光吸収層（３、４）の部分において、３元層、４元層が連続する層が厚くなるため、（例えば、図４に示す構造で、結晶品質回復層（２２）がない場合には、ｐ型４元バッファ層（２１）と、ｐ型光吸収層（３）と、ｉ型光吸収層（４）と、の連続層厚：ｄ＝１．０＋０．５＋０．７＝２．２μｍとなり、連続層厚が厚くなるため）、ｐ型４元バッファ層（２１）と、ｐ型光吸収層（３）と、の間に、結晶品質回復層（２２）を挿入し、３元、４元層の連続量を小さくすることで、素子の暗電流の低減を図ることが可能となる。なお、結晶品質回復層（２２）は、ｐ型光吸収層（３）の中に配置したり、また、ｐ型４元バッファ層（２１）の中に配置したりすることも可能である。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態における半導体受光素子は、図３に示すように、ＩｎＰ半導体基板（１）と、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）と、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）と、ｐ型光吸収層（３）と、ｉ型光吸収層（４）と、電界緩和層（５）と、増倍層（６）と、エッチングストップ層（７）と、ｎ型バッファ層（８）と、ｎ型コンタクト層（９）と、を有して構成される。

第２の実施形態における半導体受光素子は、図３に示す層構造からなる半導体受光素子に対し、エッチングストップ層（７）に達するまで、受光部を取り囲むように、ｎ型コンタクト層（９）と、ｎ型バッファ層（８）と、を上部から除去し、Ｔｉイオンを注入し、ガードリング（１１）を形成する。また、ガードリング（１１）の周辺部に対し、Ｚｎ拡散を行い、受光部周辺に対し、Ｚｎ拡散層（１０）を設け、そのＺｎ拡散層（１０）を設けた上部に対し、ｐ型電極（１３）を設け、また、ｎ型コンタクト層（９）の上部に対し、ｎ型電極（１２）を設けることになる。

なお、第２の実施形態における半導体受光素子は、図３に示すように、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）は、ｐ型としたが、ｉ型や、ｎ型で構成することも可能である。

なお、第２の実施形態における半導体受光素子は、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）と、光吸収層（３、４）と、の間に、新たに面内方向に流れる電流が層内に均一に分散して流れるような機能をもつ電流分散型ｐ型バッファ層（３１）を設けたことを特徴とする。

ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）は、一定の不純物濃度で形成されており、抵抗率も層内で一定である。従って、光キャリアに起因する電流は、ｐ型電極（１３）に対し、最短経路を通過するように流れ、経路の幅が狭くなってしまうことになる。

電流分散型ｐ型バッファ層（３１）は、層内で抵抗率の分布を形成し、光キャリアに起因する電流が層内に一様に広がることを意図して構成される。これにより、電流密度が小さくなり、素子の信頼性を向上させることが可能となる。この電流分散機能の実現方法を、図５を参照しながら説明する。

受光部中心の場合、受光部中心の光吸収層（３、４）内でキャリアが発生した場合、ホールによる電流は、経路『Ａ』、又は、経路『Ｂ』を通過し、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）からＺｎ拡散層（１０）を経由し、ｐ型電極（１３）へと到達することになる。

この場合、経路『Ａ』と経路『Ｂ』との抵抗値が等しいか、または、経路『Ａ』と経路『Ｂ』との抵抗値が近い値であれば、電流は、経路『Ａ』と『Ｂ』との双方の経路を通過することになり、電流集中を軽減することが可能となる。

なお、経路『Ａ』の距離は、受光部直下からガードリング（１１）の外周部までの距離『Ｌ』である。また、経路『Ｂ』の距離は、受光部直下から電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の最下部を経由し、その最下部を外周方向に進んだ後に、ガードリング（１１）の外周部に戻るまでの距離であり、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚をｄとすると、経路『Ｂ』の距離は、ｄ＋Ｌ＋ｄとなり、経路『Ａ』と経路『Ｂ』との距離の比：Ｒ１は、Ｒ１（Ｌ）＝Ｌ／（Ｌ＋２ｄ）となる。

ここで、電流分散機能を実現するために、２つの経路『Ａ』、『Ｂ』が等しい抵抗を持つように構成する。

このため、経路『Ａ』よりも遠い経路『Ｂ』の方が低抵抗になるよう、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の抵抗を、下側が低めに、上側が高めとなるように構成する。このため、不純物の濃度勾配構造を用いることになる。

濃度勾配構造は、不純物濃度が、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の下側で高く、上側で低くなるように決定する。

濃度勾配構造を構成する濃度勾配層の最下面の濃度をＮａ，最上面の濃度をＮｂ，その濃度勾配の比：Ｒ２を、Ｒ２＝Ｎｂ／Ｎａとする。なお、濃度勾配層の垂直方向の勾配は、１次の傾きでも２次の傾きでも良く、特に限定しないものとする。

例えば、Ｒ１＝Ｒ２のように決定すると、濃度勾配構造の最上面と最下面との抵抗がほぼ等しくなり、電流分散機能を発揮することが可能となる。

なお、受光部の位置により、受光部直下からガードリング（１１）の外周部までの距離『Ｌ』が変化することになるため、受光部の面内の全てのキャリアに対し、Ｒ１＝Ｒ２に設定することは出来ない。例えば、受光部中心の経路は、経路『Ａ』の距離をＬ０とすると、Ｒ１（Ｌ０）＝Ｌ０／（Ｌ０＋２ｄ）となる。

また、受光部周辺では、経路『Ａ'』と経路『Ｂ'』との比較となる。経路『Ａ'』の距離『Ｌ』は、およそ図５に示すガードリング幅:『Ｇ１』と等しくなるので、Ｒ１（Ｇ１）＝Ｇ１／（Ｇ１＋２ｄ）となる。

なお、『受光部中心のＲ１＞受光部周辺のＲ１』の関係となる。

Ｒ１として受光部中心の値を用いて決定すると、受光部中心の一点でしか効果を発揮することができないことになるが、Ｒ１として受光部周辺の値を用いて決定した場合には、受光部中心から等距離にある全ての円周上において効果を発揮することが可能となるため、Ｒ１の実際の設計値は、受光部周辺の値に調整することで、より効果を発揮することが可能となる。

なお、濃度勾配構造の最下面のｐ濃度：Ｎａ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、素子の受光径が３０μｍ、分離溝の半径方向の距離：Ｇ１＝５μｍとすると、Ｌ０＝１５＋５＝２０μｍとなる。

Ｒ１（Ｌ０）＝２０／（２０＋２）＝０．９０９で計算され、濃度勾配構造の最下面の濃度を９％程度以上小さくすることで、受光部中心部での電流分散の効果を発揮することが可能となる。

なお、受光部周辺からの距離５μｍ付近で同様の効果を発揮させようとすると、Ｒ１（５＋５）＝１０／（１０＋２）＝０．８３３となり、Ｎｂ＝８．３３×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度に設定することになる。

また、受光部周辺からの距離１μｍ付近で同様の効果を発揮させようとすると、Ｒ１（５＋１）＝６／（６＋２）＝０．７５となり、Ｎｂ＝７．５×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度に設定することになる。

また、受光部端で同様の効果を発揮させようとすると、Ｒ１（Ｇ１）＝Ｇ１／（Ｇ１＋２ｄ）＝５／（５＋２）＝０．７１４となり、Ｎｂ＝７．１×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度に設定することになる。

なお、効果が発揮できる最大の濃度勾配の比の目安は、Ｒ１（Ｇ１）５＝０．０７１程度であることから、濃度勾配構造の最上面の濃度：Ｎｂを１．４×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に設定することになる。

また、Ｒ１が小さすぎる場合には、効果が再び下がってしまうことになるため、Ｒ１の値は、小さい場合でも受光部周辺のＲ１の値の１０分の１より大きくなる程度の値に設定することになる。

このため、濃度勾配構造は、濃度勾配の最下面濃度：Ｎａと、濃度勾配の最上面濃度：Ｎｂと、の比：Ｒ２＝Ｎｂ／Ｎａが、１＞Ｒ２＞Ｒ１（Ｇ１）×０．１の範囲（但し、濃度勾配構造の層厚：ｄ、ガードリング幅：Ｇ１、Ｒ１（Ｇ１）＝Ｇ１／（Ｇ１＋２ｄ））にすることが望ましい。

電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚に関しては、層厚が厚い方が電流密度を低減する効果が大きくなるため、層厚を厚くするほうが望ましい。

例えば、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚：ｄ＝０．５μｍ以上に設定することで、電流分散の効果を高めることが可能となる。

電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚：ｄ＝０．５μｍ、受光部直径３０μｍの場合、電流が、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の厚み方向に平均的に流れた場合、受光部周辺部おける電流パスの面積は、『受光部の周囲長』×『電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚』から計算すると、２×ｐｉ×１５×０．５＝４７．１μｍ²であることから、光電流１０ｍＡが流れた場合、電流密度の最大値は、少なくとも２１ｋＡ／ｃｍ²となる。

また、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚：ｄ＝１．０μｍとした場合、電流密度は、少なくとも１１ｋＡ／ｃｍ²以上となる。

同様に、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚：ｄ＝２．０μｍとした場合、電流密度は、５ｋＡ／ｃｍ²以上となる。

従って、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚を厚くしてゆくと、電流密度が下がり、より高い光耐性を発揮することが可能となる。

デバイスの信頼性を高めるためには、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚：ｄは、ｄ＝０．５μｍ以上に設定することが望ましい。また、半導体受光素子の形成の効率を考慮すると、濃度勾配層の全層厚は、５．０μｍ以下に設定することが望ましい。

電流分散型ｐ型バッファ層（３１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、ｐ濃度を高くして電気伝導度を上げるため、４元組成を用いることが望ましい。特に、化合物半導体として、ＩｎＰ半導体基板（１）を用いる場合には、ＩｎＰ半導体基板（１）と格子整合するＩｎＡｌＧａＡｓや、ＩｎＧａＡｓＰを用いることが望ましい。上述したように、不純物や特段影響のないものは、構成元素として数に入れず、化合物半導体ＩｎＡｌＧａＡｓにＰが含まれた場合に５元組成とせず、４元組成として取り扱う。

なお、高濃度のｐ型バッファ層（３１）を形成できるように、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、ＩｎＰ半導体基板（１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（ＩｎＰ）と比較して小さいほうが望ましいが、一方で、裏面入射型の場合には、信号光が電流分散型ｐ型バッファ層（３１）を通過することになるため、光の損失を発生させないよう、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、受光しようとする信号光の波長に相当するエネルギー：Ｅλと比較して大きいことが望ましい。従って、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、次の関係式（２）を満たすことが望ましい。

関係式（２）：Ｅｇ（ＩｎＰ）＞Ｅｇ（Ｑ）＞Ｅλ
Ｅｇ（ＩｎＰ）：ＩｎＰ半導体基板（１）のバンドギャップエネルギー
Ｅｇ（Ｑ）：電流分散型ｐ型バッファ層（３１）のバンドギャップエネルギー
Ｅλ：受光しようとする信号光の波長に相当するエネルギー

なお、信号光は、一般的には、１．３μｍ〜１．５５μｍの波長を用いるので、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）は、関係式（２）：Ｅｇ（ＩｎＰ）＞Ｅｇ（Ｑ）＞Ｅλ（λ＝１．３μｍ）を満たすことが望ましい。

次に、本実施形態の半導体受光素子のように、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）を用いた構造の場合に発生する課題と、その課題を解決するための解決方法について説明する。

第２の実施形態で使用する電流分散型ｐ型バッファ層（３１）は、４元組成を含む材料を用いるため、第１の実施形態の半導体受光素子と同様に、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）と、光吸収層（３、４）と、で４元層及び３元層の連続構造を形成し、結晶品質が劣化する恐れがある。

なお、上述した結晶品質の劣化とは、ある電界に対して流れる暗電流の量が増加するという現象であり、ＡＰＤの場合には、この暗電流が増倍されて全暗電流として現れるため、結晶品質の劣化はデバイス性能を顕著に劣化させる要因となる。

そこで、本実施形態における半導体受光素子は、図６に示すように、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の最上部に対し、２元材料（ＩｎＰ）を含む薄膜の結晶品質回復層（３２）を挿入することを特徴とする。

なお、４元層及び３元層が連続することによる結晶品質の劣化は、連続層厚が１．５μｍ程度から発生することになるため、４元層及び３元層の連続量が１．５μｍを限度として、４元層及び３元層の連続部分を構成する層に対し、２元材料（ＩｎＰ）を含む結晶品質回復層（３２）を挿入する構造にすることが望ましい。

なお、結晶品質回復層（３２）の層厚は、非常に薄い場合でも効果があり、１０ｎｍ以上から効果を発揮することが可能である。

また、結晶品質回復層（３２）の層厚を厚くすることで、上述した効果は高まることになるが、１００ｎｍ以上になると回復効果は飽和し始めることになる。従って、結晶品質回復層（３２）の層厚を、１０ｎｍ以上〜１００ｎｍ以下の範囲で形成することが望ましいことになる。

なお、結晶品質回復層（３２）の不純物濃度は、上面に接する層の濃度と同等もしくは高い範囲に設定したり、また、下面に接する層の濃度と同等もしくは低い範囲に設定したりすることで、電流を円滑に流すことが可能となる。

例えば、光吸収層（３、４）の層厚が１．５μｍ以下の場合は、光吸収層（３、４）の最下部と、光吸収層（３、４）の最上部から１．５μｍ下側に位置する点と、の間に、結晶品質回復層（３２）を配置するように構成することで効果を発揮することになる。

例えば、光吸収層（３、４）を、組成：ＩｎＧａＡｓ，層厚：ｄ＝１．２μｍとし、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の層厚：ｄ＝０．５μｍ以上とした場合には、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の最上部をＡ、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）の最上部Ａから０．３μｍＩｎＰ半導体基板（１）側に位置する点をＢとすると、ＡとＢとの間に結晶品質回復層（３２）を配置するように構成することが望ましいことになる。

また、光吸収層（３、４）の層厚：ｄ＝１．５μｍ以上の場合には、光吸収層（３、４）の内部に、結晶品質回復層（３２）を配置するか、もしくは、光吸収層（３、４）の最下端に配置することが望ましい。

なお、光吸収層（３、４）の内部に、結晶品質回復層（３２）を配置した場合には、ΔＥｖやΔＥｃといったバンド不連続量が大きい場合が多く、キャリアの走行を妨げることになるので、ΔＥｖやΔＥｃといったバンド不連続量を緩和するための層構造を結晶品質回復層（３２）の上下に配置するのが効果的である。これにより、キャリアの走行を阻害することを回避することが可能となる。なお、ΔＥｖやΔＥｃといったバンド不連続量を緩和するための層構造としては、電子の伝導帯と価電子帯とのそれぞれが、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰにあるような材料を適用して構成することになる。例えば、バンドギャップエネルギー：Ｅｇが光の波長換算で１．３μｍ組成の４元層（ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ）を適用したり、また、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの間に１．５μｍと１．３μｍと１．１μｍ組成の材料を連続して形成するなどしたりすることで、ΔＥｃ、ΔＥｖを効果的に緩和させることが可能となる。

また、結晶品質回復層（３２）からＩｎＰ半導体基板（１）側の層厚が、１．５μｍ以下となるように構成することで、結晶品質の劣化を回避することが可能となる。

（第２の実施形態の第１の実施例）
次に、図３を参照しながら、第２実施形態の半導体受光素子の第１の構成について説明する。

第２の実施形態における半導体受光素子は、図３に示すように、ＩｎＰ半導体基板（１）上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）、ｐ型光吸収層（３）、ｉ型光吸収層（４）、電界緩和層（５）、増倍層（６）、エッチングストップ層（７）、ｎ型バッファ層（８）、ｎ型コンタクト層（９）を順に積層し、受光部の周辺において、ｎ型コンタクト層（９）と、ｎ型バッファ層（８）と、をエッチングストップ層（７）に達するまで除去し、Ｔｉイオンを注入し、ガードリング（１１）を形成する。そして、誘電体膜を形成したのち、ガードリング（１１）の周辺部に対し、Ｚｎ拡散を行い、Ｚｎ拡散層（１０）を形成し、その形成したＺｎ拡散層（１０）の上部に対し、ｐ型電極（１３）を形成し、ｎ型コンタクト層（９）の上部に対し、ｎ型電極（１２）を形成する。なお、ＩｎＰ半導体基板（１）の下部の入射面にはＡＲ（Anti Reflection）コートを施すことになる。

なお、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）は、層厚：ｄ＝０．５μｍ，ｐ濃度：Ｎｄ＝５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3で構成される。

また、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）は、濃度勾配層として、組成：ＩｎＡｌＧａＡｓ，層厚：ｄ＝１μｍ，バンドギャップエネルギー：Ｅｇ＝光の波長でエネルギーに換算して、λ＝１．１μｍ相当，濃度勾配層の最下面のｐ濃度：Ｎａ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、素子の受光径が３０μｍ、分離溝の半径方向の距離Ｇ１＝５μｍとすると、Ｌ０＝１５＋５＝２０μｍで構成される。

なお、受光部端で受光した光キャリアに効果があるように設定するためには、Ｒ１（Ｇ１）＝Ｇ１／（Ｇ１＋２ｄ）＝５／（５＋２）＝０．７１４となり、濃度勾配層の最上面のｐ濃度：Ｎｂ＝７．１×１０¹⁷ｃｍ^-3となるように設定することが効果的である。

第２の実施形態における半導体受光素子は、化合物半導体基板となるＩｎＰ半導体基板（１）上に対し、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）を設けたことで、ｐ型光吸収層（３）で達した光キャリアに対応した電流集中が発生し難くなり、増倍率Ｍが小さい条件で、１０ｍＷ程度の光入力にも初期特性が劣化しない素子を形成することが可能となる。

（第２の実施の形態の第２の実施例）
次に、図６を参照しながら、第２実施形態の半導体受光素子の第２の構成について説明する。

第２の実施形態における半導体受光素子は、図６に示すように、ＩｎＰ半導体基板（１）上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）、結晶品質回復層（３２）、ｐ型光吸収層（３）、ｉ型光吸収層（４）、電界緩和層（５）、増倍層（６）、エッチングストップ層（７）、ｎ型バッファ層（８）、ｎ型コンタクト層（９）を順に積層し、受光部の周辺において、ｎ型コンタクト層（９）と、ｎ型バッファ層（８）と、をエッチングストップ層（７）に達するまで除去し、Ｔｉイオンを注入し、ガードリング（１１）を形成する。そして、誘電体膜を形成したのち、ガードリング（１１）の周辺部に対し、Ｚｎ拡散を行い、Ｚｎ拡散層（１０）を形成し、その形成したＺｎ拡散層（１０）の上部に対し、ｐ型電極（１３）を形成し、ｎ型コンタクト層（９）の上部に対し、ｎ型電極（１２）を形成する。なお、ＩｎＰ半導体基板（１）の下部の入射面にはＡＲ（Anti Reflection）コートを施すことになる。

なお、Ｐ−ＩｎＰバッファ層（２）は、層厚：ｄ＝０．５μｍ，ｐ濃度：Ｎｄ＝５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3で構成される。

また、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）は、濃度勾配層として、組成：ＩｎＡｌＧａＡｓ，層厚：ｄ＝１μｍ，濃度勾配層の最下面のｐ濃度：Ｎａ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、素子の受光径が３０μｍ、分離溝の半径方向の距離Ｇ１＝５μｍとすると、Ｌ０＝１５＋５＝２０μｍで構成される。

なお、受光部周辺からの距離１μｍ付近で同様の効果を発揮するようにする場合には、Ｒ１（５＋１）＝６／（６＋２）＝０．７５となることから、Ｎｂ＝７．５×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度に設定することになる。

結晶品質回復層（３２）は、組成：ＩｎＰ，層厚：ｄ＝５０ｎｍ，濃度：Ｎｂ＝５×１０¹⁷ｃｍ^-3で構成される。

光吸収層（３、４）は、組成：ＩｎＧａＡｓ，層厚：１．５μｍで構成される。

第２の実施形態における半導体受光素子は、図６に示すように、化合物半導体基板となるＩｎＰ半導体基板（１）上に対し、電流分散型ｐ型バッファ層（３１）を設けたことで、ｐ型光吸収層（３）で達した光キャリアに対応した電流集中が発生し難くなり、増倍率Ｍが小さい条件で、１０ｍＷ程度の光入力にも初期特性が劣化しない素子を形成することが可能となる。

また、第２の実施形態における半導体受光素子は、結晶品質回復層（３２）を設けたことで、暗電流の低く、感度の高い素子をウエハー面内に渡って歩留まり良く形成することが可能となる。

なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

従来の半導体受光素子の構成を示す図である。 第１の実施形態の半導体受光素子の第１の構成を示す図である。 第２の実施形態の半導体受光素子の第１の構成を示す図である。 第１の実施形態の半導体受光素子の第２の構成を示す図である。 第２の実施形態の半導体受光素子における電流分散機能を説明するための図である。 第２の実施形態の半導体受光素子の第２の構成を示す図である。

符号の説明

１ ＩｎＰ半導体基板
２ ｐ−ＩｎＰバッファ層
３ ｐ型光吸収層
４ ｉ型光吸収層
５ 電界緩和層
６ 増倍層
７ エッチングストップ層
８ ｎ型バッファ層
９ ｎ型コンタクト層
１０ Ｚｎ拡散層
１１ ガードリング
１２ ｎ型電極
１３ ｐ型電極
２１ ｐ型４元バッファ層（４元バッファ層）
２２ 結晶品質回復層
３１ 電流分散型ｐ型バッファ層（電流分散層）
３２ 結晶品質回復層

Claims (8)

1. ＩｎＰ半導体基板と、
   前記ＩｎＰ半導体基板上に形成された３元組成の材料からなる光吸収層と、
   前記光吸収層の上部に形成された増倍層と、前記増倍層を含む領域に形成されたガードリングと、
   前記ＩｎＰ半導体基板と前記光吸収層との間に形成された、４元組成の材料からなる４元バッファ層と
   前記４元バッファ層の中に形成される結晶品質回復層と、を有し、
   前記光吸収層の最上端と前記結晶品質回復層の最上端との間の幅が、１.５μｍ以下であることを特徴とする半導体受光素子。
2. 前記４元バッファ層は、ＩｎＰに格子整合する組成のＩｎｘＡｌｙＧａ（１-ｘ-ｙ）Ａｓ、または、ＩｎｘＧａ（１-ｘ）ＡｓｙＰ（１-ｙ）からなることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
3. 前記４元バッファ層の層厚は、０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
4. 前記４元バッファ層の層厚は、１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
5. 前記４元バッファ層のバンドギャップエネルギー：Ｅｇ（Ｑ）が、関係式：Ｅｇ（ＩｎＰ）＞Ｅｇ（Ｑ）＞Ｅλ（但し、Ｅｇ（ＩｎＰ）：ＩｎＰ半導体基板のバンドギャップエネルギー、Ｅλ：受光しようとする信号光の波長に相当するエネルギー）を満たすことを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
6. 前記結晶品質回復層は、２元組成の材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体受光素子。
7. 前記結晶品質回復層の層厚は、１０ｎｍ以上〜１００ｎｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体受光素子。
8. 前記結晶品質回復層の不純物濃度が、前記結晶品質回復層の上部に接する層の不純物濃度と同等もしくは高く、また、前記結晶品質回復層の下部に接する層の不純物濃度と同等もしくは低くなるように形成されてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体受光素子。

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